Små defekter i halvledere skabte fartbump for elektroner - forskere ryddede vejen

UCLA videnskabsmænd og ingeniører har udviklet en ny proces til samling af halvlederenheder. Fremskridtet kan føre til meget mere energieffektive transistorer til elektronik og computerchips, dioder til solceller og lysdioder, og andre halvleder-baserede enheder.

En artikel om forskningen blev offentliggjort i Natur . Undersøgelsen blev ledet af Xiangfeng Duan, professor i kemi og biokemi ved UCLA College, og Yu Huang, professor i materialevidenskab og teknik ved UCLA Samueli School of Engineering. Hovedforfatteren er Yuan Liu, en UCLA postdoc.

Deres metode forbinder et halvlederlag og et metalelektrodelag uden de defekter på atomniveau, der typisk opstår, når andre processer bruges til at bygge halvlederbaserede enheder. Selvom disse defekter er minimale, de kan fange elektroner, der bevæger sig mellem halvlederen og de tilstødende metalelektroder, hvilket gør enhederne mindre effektive, end de kunne være. Elektroderne i halvlederbaserede enheder er det, der gør det muligt for elektroner at rejse til og fra halvlederen; elektronerne kan bære computerinformation eller energi til at drive en enhed.

Generelt, metalelektroder i halvlederanordninger er bygget ved hjælp af en proces kaldet fysisk dampaflejring. I denne proces, metalliske materialer fordampes til atomer eller atomklynger, som derefter kondenserer på halvlederen, som kan være silicium eller et andet lignende materiale. Metalatomerne klæber til halvlederen gennem stærke kemiske bindinger, til sidst danner en tynd film af elektroder oven på halvlederen.

Et problem med den proces er, at metalatomerne normalt er forskellige størrelser eller former fra atomerne i de halvledermaterialer, som de binder til. Som resultat, lagene kan ikke danne perfekte en-til-en atomforbindelser, hvorfor der opstår små huller eller defekter.

"Det er som at prøve at montere et lag af Lego-mærkeklodser på dem fra et konkurrerende mærke, " sagde Huang. "Du kan tvinge de to forskellige blokke sammen, men pasformen vil ikke være perfekt. Med halvledere, disse uperfekte kemiske bindinger fører til huller, hvor de to lag forbinder, og disse huller kan strække sig som defekter ud over grænsefladen og ind i materialerne."

Disse defekter fanger elektroner, der bevæger sig hen over dem, og elektronerne har brug for ekstra energi for at komme igennem de pletter.

UCLA-metoden forhindrer defekterne i at dannes, ved at samle en tynd metalplade oven på halvlederlaget gennem en simpel lamineringsproces. Og i stedet for at bruge kemiske bindinger til at holde de to komponenter sammen, den nye procedure bruger van der Waals-kræfter - svage elektrostatiske forbindelser, der aktiveres, når atomer er meget tæt på hinanden - for at holde molekylerne "hæftet" til hinanden. Van der Waals kræfter er svagere end kemiske bindinger, men de er stærke nok til at holde materialerne sammen på grund af hvor tynde de er – hvert lag er omkring 10 nanometer tykt eller mindre.

"Selvom de er forskellige i deres geometri, de to lag samles uden defekter og forbliver på plads på grund af van der Waals-kræfterne, "Sagde Huang.

Forskningen er også det første arbejde, der validerer en videnskabelig teori, der opstod i 1930'erne. Schottky-Mott-reglen foreslog, at den minimale mængde energi, elektroner har brug for til at rejse mellem metal og en halvleder under ideelle forhold.

Ved at bruge teorien, ingeniører bør være i stand til at vælge det metal, der tillader elektroner at bevæge sig over krydset mellem metal og halvleder med den mindste mængde energi. Men på grund af de små defekter, der altid har opstået under fremstillingen, halvlederenheder har altid haft brug for elektroner med mere energi end det teoretiske minimum.

UCLA-holdet er det første til at verificere teorien i eksperimenter med forskellige kombinationer af metaller og halvledere. Fordi elektronerne ikke behøvede at overvinde de sædvanlige defekter, de var i stand til at rejse med den minimale mængde energi, der var forudsagt af Schottky-Mott-reglen.

"Vores undersøgelse validerer for første gang disse grundlæggende grænser for metal-halvledergrænseflader, "Duan sagde. "Det viser en ny måde at integrere metaller på andre overflader uden at indføre defekter. Bredt, dette kan anvendes til fremstilling af ethvert sart materiale med grænseflader, der tidligere var plaget af defekter. "

For eksempel, udover elektrodekontakter på halvledere, det kunne bruges til at samle ultra-energieffektive elektroniske komponenter i nanoskala, eller optoelektroniske enheder såsom solceller.

Avisens andre UCLA-forfattere er kandidatstuderende Jian Guo, Enbo Zhu og Sung-Joon Lee, og postdoc Mengning Ding. Forskere fra Hunan University, Kina; King Saud University, Saudi-Arabien; og Northrop Grumman Corporation bidrog også til undersøgelsen.

Undersøgelsen bygger på næsten et årti med arbejde fra Duan og Huang på at bruge van der Waals kræfter til at integrere materialer. En undersøgelse de ledede, udgivet i Natur i marts 2018, beskrev deres brug af van der Waals kræfter til at skabe en ny klasse af 2-D materialer kaldet monolag atomare krystal molekylære supergitter. I et tidligere studie, som blev offentliggjort i Natur i 2010, de beskrev deres brug af van der Waals-kræfter til at bygge højhastighedstransistorer ved hjælp af grafen.