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石墨烯可大幅降低藍光LED成本 IBM投資30億美元

OFweek半導體照明網訊 世界上幾乎所有的半導體技術研究機構都在嘗試制造單層石墨烯(graphene),并将其視為優于矽的新一代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采用氮化镓(gallium nitride,GaN)制造之藍光LED成本。

  “我們在利用碳化矽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薄膜被轉移到矽基闆上,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,比起采用昂貴的SiC或藍寶石晶圓片、且隻能單次使用以長出 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質量,高于采用其他基闆長出的薄膜(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,再于其上長出GaN薄膜,随後将該GaN薄膜轉移至矽基闆上,能大幅降低目前以單次使用SiC基闆方式制作之GaN之成本

  要長出晶圓尺寸的單層石墨烯薄膜非常具挑戰性,為了利用石墨烯制造IC半導體組件,專家們在過去嘗試了許多不同的方法,可惜隻有部分取得成功;目前發現采用SiC晶圓片、然後将矽汽化(boiling off),是最可靠的方法之一。

  而IBM的Kim證實,将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闆上;此外他們也證實,這種方式産出的石墨烯質量,優于直接在要運用石墨烯的晶圓片上所生長的石墨烯品質。

  至于在石墨烯上長出其他薄膜,又為該種材料開辟了一種新應用途徑;Kim将他開發的技術稱為“在磊晶石墨烯上生長高質量單晶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,可随意移植到任何一種基闆上,支持例如等組件的制造。

由 于Kim的實驗室以上述方法制作的用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組件制造 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質量單晶半導體元 件提供了一個通用準則。”

  将SiC晶圓片的矽汽化之後,能剝離出單層石墨烯,并将之轉移到任何一種基闆上,例如結晶矽。因為在将生長于其上的薄膜剝離後,完整的石墨烯層并沒有被破壞,Kim也嘗試在該完美結晶石墨烯基闆上生長其他種類的半導體組件,然後再将之轉移到其他地 方,例如軟性基闆;他表示,這種技術有機會催生高頻晶體管、光探測器、生物傳感器以及其他“後矽時代”組件,IBM已經為此在接下來五年投資30億美元。

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