Atomisk nitrogen vej til nye 2-D halvledere

En enkel og ikke-destruktiv fremstillingsteknik kunne hjælpe med fremstillingen af ​​mere energieffektive todimensionelle (2-D) film, der er nødvendige for at transformere elektronikindustrien.

Atomisk tynd, 2-D overgangsmetal dichalcogenider (TMDC'er) som wolframdisulfid (WS ₂ ) udviser bemærkelsesværdig fysisk, elektroniske og optoelektroniske egenskaber, såsom fleksibilitet, gennemsigtighed og halvledende egenskaber.

Selvom der har været betydelige fremskridt i fremstillingen af ​​2-D TMDC'er, den ultratynde natur af sådanne 2-D halvledere udelukker brugen af ​​teknikker som ionimplantation, med efterfølgende aktiveringsglødning, til indføring og tilbageholdelse af dopingmidler i mono- eller fålags TMDC'er.

Nu, Dongzhi Chi og kolleger fra Institute of Materials Research and Engineering og Institute of High Performance Computing ved A*STAR, i samarbejde med forskere fra National University of Singapore, har udviklet en innovativ teknik, der bruger meget reaktive nitrogen (N) atomer til at kontrollere dopingstoffer i film af WS ₂ på atomær skala, og lover en pålidelig metode til doping af 2-D TMDC'er.

"[Den nuværende] manglende evne til effektivt at dope 2-D TMDC'er hindrer udviklingen af ​​energieffektive enheder som felteffekttransistorer, der anvender produktionsteknologier, der i øjeblikket anvendes i halvlederindustrien, " siger Chi.

TMDC'er som WS ₂ er typisk n-type halvledere, og der er i øjeblikket ingen pålidelige metoder til fremstilling af atomisk tynde TMDC'er, der er p-type. Dette er særligt irriterende, da det betyder, at 2-D TMDC-enheder, af nødvendighed, er for det meste baseret på n-type CMOS-FET'er - felteffekttransistorer (FET'er) fremstillet ved hjælp af komplementære metal-oxid-halvleder-teknologier (CMOS). Manglen på en effektiv måde at lave p-type 2-D TMDC-baserede CMOS-FET'er begrænser skabelsen af ​​næste generations elektronik, optoelektroniske enheder, og rene energiteknologier.

Så forskerne så på atomisk nitrogen som i modsætning til nuværende dopingteknikker, såsom ion-implantation eller plasmaimplantation, det kan producere effektiv p-type doping i 2-D TMDC-baserede CMOS-FET'er uden at forårsage mærkbar strukturel skade.

At producere atomært N, de brugte et plasma til at generere ioniseret og atomært N i et keramisk hulrum og påførte et elektrisk felt for at tilbageholde nitrogenionerne, tillader N-atomerne at reagere med en prøve af WS ₂ opvarmet til 300 grader C.

Den høje kemiske aktivitet og lave kinetiske energi af N introducerede modifikationer af strukturen i mono- eller fålags dybde i WS ₂ ved at erstatte svovlatomer og danne W-N kemiske bindinger. Dette viste sig at være ideelt til at kontrollere dopingstofferne på atomær skala.

"I modsætning til andre dopingmetoder for TMDC'er - såsom molekylær kemisorption, Fysisorption og nitrogenplasma-doping - vores metode introducerer nitrogen til substitutionssteder for svovl ved at erstatte svovlen med nitrogen, uden at forårsage skade på TMDC-lagene, " siger Chi.

"Vores arbejde kan hjælpe med at fremskynde udviklingen af ​​næste generation af elektronik- og optoelektronikteknologier, såsom logiske kredsløb med ultralav effekt og smarte sensorer, baseret på 2-D halvledende TMDC'er, " siger Chi.