Ultra-ren fremstillingsplatform producerer næsten ideelle 2-D transistorer

Halvledere, som er de grundlæggende byggesten i transistorer, mikroprocessorer, lasere, og LED'er, har drevet fremskridt inden for databehandling, hukommelse, kommunikation, og lysteknologier siden midten af ​​det 20. århundrede. For nylig opdagede todimensionelle materialer, som har mange superlative egenskaber, har potentialet til at fremme disse teknologier, men at skabe 2D-enheder med både gode elektriske kontakter og stabil ydeevne har vist sig at være udfordrende.

Forskere ved Columbia Engineering rapporterer, at de har demonstreret en næsten ideel transistor lavet af en todimensionel (2-D) materialestabel - med kun et to-atom-tykt halvledende lag - ved at udvikle en fuldstændig ren og skadefri fremstillingsproces. Deres metode viser markant forbedret ydeevne sammenlignet med 2-D halvledere fremstillet med en konventionel proces, og kunne give en skalerbar platform til at skabe ultra-rene enheder i fremtiden. Undersøgelsen blev offentliggjort i dag i Naturelektronik .

"At lave enheder af 2D-materialer er en rodet forretning, " siger James Teherani, adjunkt i elektroteknik. "Enheder varierer voldsomt fra løb til løb og nedbrydes ofte så hurtigt, at du ser ydeevnen falde, mens du stadig måler dem."

Efter at være blevet træt af de inkonsekvente resultater, Teheranis team satte sig for at udvikle en bedre måde at lave stabile enheder på. "Så, " forklarer han, "Vi besluttede at adskille den uberørte enhed fra de beskidte fremstillingsprocesser, der fører til variabilitet."

Som vist i denne nye undersøgelse, Teherani og hans kolleger udviklede en to-trins, ultra-ren nanofabrikationsproces, der adskiller de "rodede" trin i fremstillingen - dem, der involverer "beskidt" metallisering, kemikalier, og polymerer, der bruges til at danne elektriske forbindelser til enheden - fra det aktive halvlederlag. Når de har fuldført den rodede fremstilling, de kunne samle kontakterne op og overføre dem til det rene aktive enhedslag, bevare integriteten af ​​begge lag.

"Tynheden af ​​disse halvledere er en velsignelse og en forbandelse, " siger Teherani. "Mens tyndheden tillader dem at være gennemsigtige og kan tages op og placeres, hvor du vil have dem, tyndheden betyder også, at der er næsten ingen volumen - enheden er næsten udelukkende overflade. På grund af dette, enhver overfladesnavs eller forurening vil virkelig forringe en enhed."

I øjeblikket, de fleste enheder er ikke indkapslet med et lag, der beskytter overfladen og kontakter mod forurening under fremstillingen. Teheranis team viste, at deres metode nu ikke kun kan beskytte halvlederlaget, så de ikke kan se ydeevneforringelse over tid, men det kan også give højtydende enheder.

Teherani samarbejdede med Jim Hone, Wang Fong-Jen professor i maskinteknik, gør brug af fabrikations- og analysefaciliteterne fra Columbia Nano Initiative og det National Science Foundation-finansierede Materials Research Science and Engineering Center i Columbia. Holdet lavede de overførte kontakter fra metal indlejret i isolerende hexagonalt bornitrid (h-BN) uden for et handskerum og tøroverførte derefter kontaktlaget til 2-D-halvlederen, som blev holdt uberørt inde i et nitrogen handskerum. Denne proces forhindrer direkte metalliseringsinduceret skade, samtidig med at den giver indkapsling for at beskytte enheden.

Nu hvor forskerne har udviklet en stald, gentagelig proces, de bruger platformen til at lave enheder, der kan flytte ud af laboratoriet til virkelige tekniske problemer.

"Udviklingen af ​​højtydende 2D-enheder kræver fremskridt i de halvledermaterialer, som de er lavet af, " Teherani tilføjer. "Mere præcise værktøjer som vores vil gøre os i stand til at bygge mere komplekse strukturer med potentielt større funktionalitet og bedre ydeevne."

Undersøgelsen har titlen "Overført via kontakter som en platform for ideelle todimensionelle transistorer."