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IBM研究人員發現石墨烯新用途

上網時間: 2014年10月02日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:石墨烯  GaN  IBM  藍光LED  晶圓尺寸 

世界上幾乎所有的半導體技術研究機構都在嘗試製造單層石墨烯(graphene),並將其視為優於矽的新一代IC材料;不過現在 IBM 的研究人員卻發現石墨烯材料的另一種優勢──能大幅降低採用氮化鎵(gallium nitride,GaN)製造之藍光LED成本。

「我們在利用碳化矽(SiC)晶圓片所形成的晶圓尺寸石墨烯上,長出了單晶GaN薄膜;」自稱“發明大師(Master Inventor)”的IBM T.J. Watson研究中心成員Jeehwan Kim表示:「然後整片GaN薄膜被轉移到矽基板上,石墨烯則仍留在SiC晶圓片上重複使用,再繼續長出GaN薄膜、轉移薄膜的程序。」

他指出,比起採用昂貴的SiC或藍寶石晶圓片、且只能單次使用以長出 GaN 薄膜的傳統方式,這種新方法的成本效益要高出許多,而且他們發現以新方法在石墨烯上長出的薄膜品質,高於採用其他基板長出的薄膜(缺陷密度較低)。

IBM研究人員發現,先在SiC晶圓片上長出石墨烯,再於其上長出GaN薄膜,隨後將該GaN薄膜轉移至矽基板上,能大幅降低目前以單次使用SiC基板方式製作之GaN藍光LED之成本
IBM研究人員發現,先在SiC晶圓片上長出石墨烯,再於其上長出GaN薄膜,隨後將該GaN薄膜轉移至矽基板上,能大幅降低目前以單次使用SiC基板方式製作之GaN藍光LED之成本
(來源:IBM)

要長出晶圓尺寸的單層石墨烯薄膜非常具挑戰性,為了利用石墨烯製造IC半導體元件,專家們在過去嘗試了許多不同的方法,可惜只有部分取得成功;目前發現採用SiC晶圓片、然後將矽汽化(boiling off),是最可靠的方法之一。

而IBM的Kim證實,將SiC晶圓片的矽汽化之後,所留下的石墨烯薄膜能穩妥地轉移至矽基板上;此外他們也證實,這種方式產出的石墨烯品質,優於直接在要運用石墨烯的晶圓片上所生長的石墨烯品質。

至於在石墨烯上長出其他薄膜,又為該種材料開闢了一種新應用途徑;Kim將他開發的技術稱為「在磊晶石墨烯上生長高品質單晶GaN薄膜的直接凡德瓦磊晶法(direct van der Waals epitaxy)」。他聲稱,以這種方式生長的GaN薄膜或是其他薄膜,可隨意移植到任何一種基板上,支援例如藍光LED等元件的製造。

由於Kim的實驗室以上述方法製作的藍光LED用GaN薄膜,是成功重複利用SiC晶圓片上的石墨烯長成,他們認為這是可利用石墨烯大幅降低半導體元件製造成本的全新方式:「我們首度證實能在石墨烯上生長晶圓尺寸的單晶薄膜,而且石墨烯還能重複利用;此外我們的研發成果也為在石墨烯上生長高品質單晶半導體元件提供了一個通用準則。」

將SiC晶圓片的矽汽化之後,能剝離出單層石墨烯,並將之轉移到任何一種基板上,例如結晶矽
將SiC晶圓片的矽汽化之後,能剝離出單層石墨烯,並將之轉移到任何一種基板上,例如結晶矽
(來源:IBM)

因為在將生長於其上的薄膜剝離後,完整的石墨烯層並沒有被破壞,Kim也嘗試在該完美結晶石墨烯基板上生長其他種類的半導體元件,然後再將之轉移到其他地方,例如軟性基板;他表示,這種技術有機會催生高頻電晶體、光探測器、生物感測器以及其他「後矽時代」元件,IBM已經為此在接下來五年投資30億美元。

編譯:Judith Cheng

(參考原文: IBM Conquers Wafer-Scale Graphene,by R. Colin Johnson)





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