Forskere kan have løst spejltvilling-defekten, der plager næste generation af 2D-halvledere

Den næste generation af 2D-halvledermaterialer kan ikke lide, hvad den ser, når den ser i spejlet. Nuværende syntetiseringsmetoder til fremstilling af enkeltlags nanoark af halvledende materiale til atomisk tynd elektronik udvikler en ejendommelig "spejltvilling"-defekt, når materialet afsættes på enkeltkrystalsubstrater som safir. Det syntetiserede nanoark indeholder korngrænser, der fungerer som et spejl, med arrangementet af atomer på hver side organiseret i reflekteret modsætning til hinanden.

Dette er et problem, ifølge forskere fra Penn State's Two-Dimensional Crystal Consortium-Materials Innovation Platform (2DCC-MIP) og deres samarbejdspartnere. Elektroner spredes, når de rammer grænsen, hvilket reducerer ydeevnen af ​​enheder som transistorer. Dette er en flaskehals, sagde forskerne, for fremme af næste generations elektronik til applikationer som Internet of Things og kunstig intelligens. Men nu kan forskerholdet have fundet en løsning til at rette op på denne defekt. De har udgivet deres arbejde i Nature Nanotechnology .

Denne undersøgelse kan have en betydelig indvirkning på halvlederforskningen ved at gøre det muligt for andre forskere at reducere spejltvillingdefekter, ifølge hovedforfatter Joan Redwing, direktør for 2DCC-MIP, især da feltet har øget opmærksomheden og finansieringen fra CHIPS og Science Act godkendt sidst år. Lovgivningens autorisation øgede finansiering og andre ressourcer for at øge USA's indsats for at onshore produktion og udvikling af halvlederteknologi.

Et enkelt-lags ark af wolframdiselenid - kun tre atomer tykt - ville give en yderst effektiv, atomisk tynd halvleder til at kontrollere og manipulere elektrisk strøm, ifølge Redwing. For at lave nanoarket bruger forskerne metal, organisk kemisk dampaflejring (MOCVD), en halvlederfremstillingsteknologi, der bruges til at afsætte ultratynde enkeltkrystallag på et substrat, i dette tilfælde en safirwafer.

Mens MOCVD bruges til syntese af andre materialer, var 2DCC-MIP-forskerne banebrydende for dets brug til syntese af 2D-halvledere såsom wolframdiselenid, sagde Redwing. Wolframdiselenid tilhører en klasse af materialer kaldet overgangsmetal-dichalcogenider, der er tre atomer tykke, med wolframmetallet klemt mellem ikke-metalselenidatomer, som viser ønskelige halvledende egenskaber for avanceret elektronik.

"For at opnå enkeltlagsark med en høj grad af krystallinsk perfektion brugte vi safirskiver som skabelon til at justere wolframdiselenidkrystallerne, når de aflejres af MOCVD på waferoverfladen," sagde Redwing, som også er en fremtrædende professor i materialer. videnskab og teknik og elektroteknik i Penn State. "Men wolframdiselenidkrystallerne kan justeres i modsatte retninger på safirsubstratet. Efterhånden som de modsat orienterede krystaller bliver større i størrelse, mødes de i sidste ende med hinanden på safiroverfladen for at danne spejltvillinggrænsen."

For at løse dette problem og få de fleste af wolfram-diselenid-krystallerne til at flugte med safirkrystallerne, udnyttede forskerne "trin" på safiroverfladen. Den safir-enkeltkrystal, der udgør waferen, er meget perfekt i fysik; den er dog ikke helt flad på atomniveau. Der er trin på overfladen, der er et atom eller to høje med flade områder mellem hvert trin.

Her, sagde Redwing, fandt forskerne den formodede kilde til spejldefekten.

Trinnet på safirglasoverfladen er der, hvor wolfram-diselenid-krystallerne havde en tendens til at fæstne sig, men ikke altid. Krystaljusteringen, når den var fastgjort til trinene, havde en tendens til at være i alle én retning.

"Hvis krystallerne alle kan justeres i samme retning, så vil spejltvillingdefekter i laget blive reduceret eller endda elimineret," sagde Redwing.

Forskerne fandt ud af, at ved at kontrollere MOCVD-procesbetingelserne kunne de fleste af krystallerne fås til at fæstne sig til safiren ved trinene. Og under eksperimenterne gjorde de en bonusopdagelse:Hvis krystallerne hæfter i toppen af ​​trinnet, retter de sig i én krystallografisk retning; hvis de fastgøres i bunden, flugter de i den modsatte retning.

"Vi fandt ud af, at det var muligt at få størstedelen af ​​krystallerne til at fastgøre enten i den øverste eller nederste kant af trinene," sagde Redwing og krediterede eksperimentelt arbejde udført af Haoyue Zhu, postdoktor, og Tanushree Choudhury, assisterende forskningsprofessor. , i 2DCC-MIP. "Dette ville give en måde at reducere antallet af spejltvillinggrænser i lagene markant."

Nadire Nayir, en postdoktor, mentoreret af professor Adri van Duin, førte forskere i 2DCC-MIP Theory/Simulation faciliteten til at udvikle en teoretisk model af den atomare struktur af safiroverfladen for at forklare, hvorfor wolframdiselenidet fæstnet til toppen eller bunden kanten af ​​trinene. De teoretiserede, at hvis overfladen af ​​safiren var dækket af selenatomer, så ville de fæstne sig til den nederste kant af trinene; hvis safiren kun er delvist dækket, så den nederste kant af trinnet mangler selenatom, så er krystallerne fastgjort til toppen.

For at bekræfte denne teori arbejdede Penn State 2DCC-MIP-forskerne sammen med Krystal York, en kandidatstuderende i forskningsgruppen af ​​Steven Durbin, professor i elektro- og computerteknik ved Western Michigan University. Hun bidrog til undersøgelsen som en del af 2DCC-MIP Resident Scholar Visitor Program. York lærte, hvordan man dyrker tynde film af wolframdiselenid via MOCVD, mens hun brugte 2DCC-MIP-faciliteter til sin doktorafhandling. Hendes eksperimenter var med til at bekræfte, at metoden virkede.

"Mens Krystal udførte disse eksperimenter, observerede, at retningen af ​​wolframdiselenid-domæner på safir skiftede, da hun varierede trykket i MOCVD-reaktoren," sagde Redwing. "Denne eksperimentelle observation gav verifikation af den teoretiske model, der blev udviklet til at forklare fastgørelsesstedet for wolframdiselenidkrystaller på trin på safirwaferen."

Wolframdiselenidprøver i waferskala på safir fremstillet ved hjælp af denne nye MOCVD-proces er tilgængelige for forskere uden for Penn State via 2DCC-MIP-brugerprogrammet.

"Applikationer såsom kunstig intelligens og Internet of Things vil kræve yderligere ydeevneforbedringer såvel som måder at reducere energiforbruget af elektronik," sagde Redwing. "2D-halvledere af høj kvalitet baseret på wolframdiselenid og relaterede materialer er vigtige materialer, der vil spille en rolle i næste generations elektronik."

Flere oplysninger: Haoyue Zhu et al., Trinkonstruktion til nukleering og domæneorienteringskontrol i WSe2-epitaksi på c-plan safir, Nature Nanotechnology (2023). DOI:10.1038/s41565-023-01456-6

Journaloplysninger: Naturenanoteknologi

Leveret af Pennsylvania State University