Only Perception: 整合矽晶圓與石墨薄片的新製程

2007-12-19

整合矽晶圓與石墨薄片的新製程

Move over, silicon: Advances pave way for powerful carbon-based electronics
http://www.physorg.com/news117216813.html

December 18, 2007

繞過製造電腦晶片長達數十年之久的慣例，普林斯頓（Princeton）工程師開發一種新穎方法，在大表面上以碳取代矽，替新世代更快、更強大的手機、電腦與其他電子設備開道。

電子產業在矽（這種材料是所有電腦晶片的心臟）的能力推展至極限，而取代它的方案之一就是碳，Stephen Chou（史帝芬‧周）說，電機工程教授。一種稱為石墨薄片（graphene）的材料 -- 由單一一層碳原子以蜂巢格狀排列而成 -- 能允許電子在比矽裝置還要快上 10 倍的情況下處理資訊與產生無線電傳輸。

然而，到目前為止，直接從矽切換到碳仍不可能，是因為技術人員相信，石墨薄片得要像矽那樣，以相同形式來製造晶片：8 或 12 吋寬的單晶材料。迄今為止所製成最大的單晶石墨薄片仍不到幾公釐寬，對一個單晶片來說仍不夠大。Chou 及其實驗室的研究者領悟到，其實並不需要大型石墨薄片晶圓，他們只需將石墨薄片晶體置於晶片的活動區域即可。他們開發出一種新穎方式以達成此目標，並藉此製造出高效能的、可運作的石墨薄片電晶體來證明它。

"我們的途徑是要完全放棄業界已使用在矽積體電路上的古典方法，" Chou 說。

Chou，與畢業生 Xiaogan Liang 以及材料工程師 Zengli Fu，將他們的發現發表在 2007 年 12 月號的 Nano Letters 上。該研究部份由海軍研究辦公室資助。

在他們的新方法中，研究者製作一種特別的圖章（stamp），由細微的平頂柱狀（flat-topped pillars，每一個有 0.1 mm 寬）陣列構成。他們將柱狀物往一大塊石墨薄片壓過去，切割細薄的碳薄片，這些薄片會緊黏在柱狀物上。這個圖章接著被移除，剝掉了幾層石墨薄片。最後，這個圖章被排成一直線，並壓在一個較大的晶圓上，讓石墨薄片的補釘（patch）精準地留在電晶體將要被建造的地方。

這種技術有點像印刷，Chou 說。藉由重複此一過程，並使用不同形狀的圖章（研究者亦製造出帶狀而非圓柱狀的圖章），這些電晶體的活動區域全都被石墨薄片的單晶所覆蓋。

"先前，科學家已能從一塊石墨上剝下石墨薄片，不過當他們將薄片置於一個表面上時，他們無法控制這塊薄片的尺寸與位置，" Chou 說。

讓此技術可行的一項創新是，將圖章塗上一種特殊材料，當它冷卻時，能黏住碳，當它變暖時能夠釋放掉，讓同樣一個圖章能不斷拾起與釋放石墨薄片。

Chou 的實驗室採取下一步驟，並在他們印好的石墨薄片晶體上打造電晶體 -- 微小的 on-off 開關。他們的電晶體展現出高效能；它們在移動電洞（electronic holes，一種速度測量關鍵）時比矽電晶體要快上 10 倍。

這種新技術幾乎能立即用在無線電電子學中，例如手機與其他需要高功率輸出的無線裝置，Chou 說。端賴業界對此感興趣的程度，這種技術在幾年內就能應用在無線通訊裝置上，Chou 預言。

"我們所辦到的事，證明了這種方法可行；下一步事要擴大其規模，" Chou 說。

※ 相關報導：

＊ Graphene Transistors Fabricated via Transfer-Printing In Device Active-Areas on Large Wafer
http://pubs.acs.org/cgi-bin/abstract.cgi/nalefd/2007/7/i12/abs/nl072566s.html