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美军方和能源部等多单位支持麻省理工研究通用的化合物半导体薄膜制备方法,新技术可大幅降低生产成本

砷化镓是一种比硅更好的材料,电子通过砷化镓移动的速度比硅高五倍,而且砷化镓对环境温度的敏感度低于硅。但微芯片和太阳能电池是由硅制成的,因为硅是一种丰富的元素,用硅制造电子和光伏产品的成本比砷化镓低。现在,麻省理工学院(MIT)的研究人员发现了一种使用石墨烯将太阳能电池或微芯片设计复制到砷化镓上的方法,这一切都可能改变。


麻省理工学院机械工程系博士后研究员Sang-Hoon Bae表示:“我们可以将这种技术应用于砷化镓或氮化镓等材料,我们正在研究太阳能电池。砷化镓是一种很好的太阳能电池的候选材料。在我们的方法中,我们可以复制和粘贴砷化镓独立式薄膜,因此我们可以期望降低制造成本。”


随着美国麻省理工学院的研究人员开始使用成本更低的石墨烯生产工艺研究光伏器件,更快的柔性电子器件和更高效的太阳能电池成为砷化镓的应用前景。

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图:麻省理工学院的研究人员设计了一种方法,可以通过二维材料在其基底上生长单晶化合物半导体。化合物半导体薄膜随后通过柔性基底剥离,显示出来自薄膜干涉的彩虹色。图片来源:MIT/Wei Kong和Kuan Qiao


通用型“远程外延”技术

复制式生产工艺涉及一个砷化镓晶圆和施加于其上的一层石墨烯。将镓和砷化物倾倒在覆盖砷化镓晶片的石墨烯上,然后,镓和砷化物原子排列形成下面的砷化镓晶片的副本,该复制层可能有数十纳米到几百纳米厚,最后可以将其从石墨烯上剥离,产生晶片的薄膜复制品。这种技术被称为“远程外延”(remote epitaxy)。


该技术允许使用一个晶圆快速生产砷化镓薄膜,大大降低了制造成本。Bae补充说:“不仅能制造砷化镓和氮化镓,这是一种通用方法,我们可以制造其他材料。”氟化锂是另一种正在检验此制造过程的材料。由于该工艺可以生产薄膜,因此可用于构建适合的多功能设备,例如Bae团队正在研究的柔性太阳能电池,或可穿戴传感器。研究人员甚至提出了附着在皮肤上的手机。


研究人员认为这个过程就像两块磁铁通过一张纸相互作用,镓带有负电荷,而砷带有正电荷,这种差异意味着它们的原子通过石墨烯相互作用,并随后以副本形式平行排列,形成砷化镓晶体结构。


研究团队及研究支持

Bae的团队与来自中国中山大学、美国弗吉尼亚大学、美国德克萨斯大学达拉斯分校、美国海军研究实验室、美国俄亥俄州立大学和美国佐治亚理工学院的研究人员合作。该研究的部分工作得到了美国国防先期研究计划局、美国能源部、美国空军研究实验室、韩国LG电子、韩国爱茉莉太平洋集团,美国科林研究公司和美国ADI公司的支持。

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