Forskare och ingenjörer från UCLA har utvecklat en ny process för att montera halvledarenheter. Framstegen kan leda till mycket mer energieffektiva transistorer för elektronik och datorchips, dioder för solceller och lysdioder, och andra halvledarbaserade enheter.

En artikel om forskningen publicerades i Natur . Studien leddes av Xiangfeng Duan, professor i kemi och biokemi vid UCLA College, och Yu Huang, professor i materialvetenskap och teknik vid UCLA Samueli School of Engineering. Huvudförfattare är Yuan Liu, en postdoktor vid UCLA.

Deras metod förenar ett halvledarskikt och ett metallelektrodskikt utan de atomära defekter som vanligtvis uppstår när andra processer används för att bygga halvledarbaserade enheter. Även om dessa defekter är små, de kan fånga in elektroner som rör sig mellan halvledaren och de intilliggande metallelektroderna, vilket gör enheterna mindre effektiva än de skulle kunna vara. Elektroderna i halvledarbaserade enheter är det som gör att elektroner kan resa till och från halvledaren; elektronerna kan bära datorinformation eller energi för att driva en enhet.

Rent generellt, metallelektroder i halvledarenheter byggs med hjälp av en process som kallas fysisk ångavsättning. I denna process, metalliska material förångas till atomer eller atomkluster som sedan kondenserar på halvledaren, som kan vara kisel eller annat liknande material. Metallatomerna fastnar i halvledaren genom starka kemiska bindningar, så småningom bildar en tunn film av elektroder ovanpå halvledaren.

Ett problem med den processen är att metallatomerna vanligtvis är olika storlekar eller former från atomerna i halvledarmaterialen som de binder till. Som ett resultat, skikten kan inte bilda perfekta en-till-en atomförbindelser, vilket är anledningen till att små luckor eller defekter uppstår.

"Det är som att försöka montera ett lager av legoklossar på de från ett konkurrerande varumärke, " sa Huang. "Du kan tvinga ihop de två olika blocken, men passformen blir inte perfekt. Med halvledare, dessa ofullkomliga kemiska bindningar leder till luckor där de två lagren förenas, och dessa luckor kan sträcka sig som defekter bortom gränssnittet och in i materialen."

Dessa defekter fångar elektroner som färdas över dem, och elektronerna behöver extra energi för att ta sig igenom dessa fläckar.

UCLA-metoden förhindrar att defekterna bildas, genom att foga en tunn metallplåt ovanpå halvledarskiktet genom en enkel lamineringsprocess. Och istället för att använda kemiska bindningar för att hålla ihop de två komponenterna, den nya proceduren använder van der Waals-krafter - svaga elektrostatiska förbindelser som aktiveras när atomer är mycket nära varandra - för att hålla molekylerna "fästa" till varandra. Van der Waals krafter är svagare än kemiska bindningar, men de är starka nog att hålla ihop materialen på grund av hur tunna de är – varje lager är cirka 10 nanometer tjockt eller mindre.

"Även om de är olika i sin geometri, de två skikten förenas utan defekter och stannar på plats på grund av van der Waals-krafterna, " sa Huang.

Forskningen är också det första arbetet med att validera en vetenskaplig teori som har sitt ursprung på 1930-talet. Schottky-Mott-regeln föreslog den minsta mängd energi som elektroner behöver för att resa mellan metall och en halvledare under ideala förhållanden.

Med hjälp av teorin, ingenjörer bör kunna välja den metall som tillåter elektroner att röra sig över korsningen mellan metall och halvledare med den minsta mängden energi. Men på grund av de små defekterna som alltid har uppstått under tillverkningen, halvledarenheter har alltid behövt elektroner med mer energi än det teoretiska minimumet.

UCLA-teamet är det första att verifiera teorin i experiment med olika kombinationer av metaller och halvledare. Eftersom elektronerna inte behövde övervinna de vanliga defekterna, de kunde resa med den minsta mängd energi som förutspåtts av Schottky-Mott-regeln.

"Vår studie för första gången validerar dessa grundläggande gränser för metall-halvledargränssnitt, " Duan sade. "Det visar ett nytt sätt att integrera metaller på andra ytor utan att införa defekter. Brett, detta kan tillämpas på tillverkning av alla ömtåliga material med gränssnitt som tidigare plågades av defekter."

Till exempel, förutom elektrodkontakter på halvledare, den skulle kunna användas för att montera ultraenergieffektiva elektroniska komponenter i nanoskala, eller optoelektroniska enheter som solceller.

Tidningens andra UCLA-författare är doktorander Jian Guo, Enbo Zhu och Sung-Joon Lee, och postdoktor Mengning Ding. Forskare från Hunan University, Kina; King Saud University, Saudiarabien; och Northrop Grumman Corporation bidrog också till studien.

Studien bygger på nästan ett decenniums arbete av Duan och Huang med att använda van der Waals krafter för att integrera material. En studie de ledde, publiceras i Natur i mars 2018, beskrev deras användning av van der Waals krafter för att skapa en ny klass av 2D-material som kallas monolager atomära kristallmolekylära supergitter. I en tidigare studie, som publicerades i Natur år 2010, de beskrev deras användning av van der Waals krafter för att bygga höghastighetstransistorer med grafen.