(Överst) Schematisk beskrivning av atomkvävegenereringsprocessen med ett RF-plasma. (Nedre) Tvärsnittsvy av botten-gated monolager och få-lager WS2 FET med Ti/Au-kontakter. Kredit:American Chemical Society.
En enkel och oförstörande tillverkningsteknik skulle kunna underlätta tillverkningen av mer energieffektiva tvådimensionella (2-D) filmer som behövs för att förändra elektronikindustrin.
Atomiskt tunn, 2-D övergångsmetalldikalkogenider (TMDC) som volframdisulfid (WS 2 ) uppvisar anmärkningsvärda fysiska, elektroniska och optoelektroniska egenskaper, som flexibilitet, transparens och halvledande egenskaper.
Även om det har gjorts betydande framsteg i tillverkningen av 2-D TMDC, den ultratunna naturen hos sådana 2D-halvledare utesluter användningen av tekniker som jonimplantation, med efterföljande aktiveringsglödgning, för att introducera och behålla dopämnen i mono- eller fålagers TMDC.
Nu, Dongzhi Chi och kollegor från Institute of Materials Research and Engineering och Institute of High Performance Computing vid A*STAR, i samarbete med forskare från National University of Singapore, har utvecklat en innovativ teknik som använder högreaktiva kväveatomer (N) för att kontrollera dopämnen i filmer av WS 2 på atomär skala, och lovar en pålitlig metod för dopning av 2-D TMDC.
"[Den nuvarande] oförmågan att effektivt dopa 2D TMDC hindrar utvecklingen av energieffektiva enheter som fälteffekttransistorer som använder tillverkningsteknologier som för närvarande används i halvledarindustrin, säger Chi.
TMDCs som WS 2 är typiskt n-typ halvledare och det finns för närvarande inga tillförlitliga metoder för att göra atomärt tunna TMDCs som är p-typ. Detta är särskilt irriterande eftersom det betyder att 2D TMDC-enheter, av nödvändighet, är mestadels baserade på n-typ CMOS-FET-fälteffekttransistorer (FET) tillverkade med hjälp av komplementära metalloxid-halvledarteknologier (CMOS). Bristen på ett effektivt sätt att göra p-typ 2-D TMDC-baserade CMOS-FET:er begränsar skapandet av nästa generations elektronik, optoelektroniska enheter, och ren energiteknik.
Så forskarna tittade på atomärt kväve som till skillnad från nuvarande dopningstekniker, såsom jonimplantation eller plasmaimplantation, den kan producera effektiv dopning av p-typ i 2D TMDC-baserade CMOS-FET:er utan att orsaka märkbar strukturell skada.
För att producera atomärt N, de använde en plasma för att generera joniserat och atomärt N i en keramisk hålighet och anbringade ett elektriskt fält för att hålla kvar kvävejonerna, låter N-atomerna reagera med ett prov av WS 2 uppvärmd till 300 grader C.
Den höga kemiska aktiviteten och låga kinetiska energin hos N introducerade modifieringar av strukturen på ett- eller fålagers djup i WS 2 genom att ersätta svavelatomer och bilda W-N kemiska bindningar. Detta visade sig vara idealiskt för att kontrollera dopämnena på atomär skala.
"Till skillnad från andra dopningsmetoder för TMDC - såsom molekylär kemisorption, fysisorption och kväveplasmadopning – vår metod introducerar kväve i substitutionsställen för svavel genom att ersätta svavlet med kväve, utan att skada TMDC-lagren, säger Chi.
"Vårt arbete kan bidra till att påskynda utvecklingen av nästa generations elektronik- och optoelektronikteknologier, såsom logiska kretsar med ultralåg effekt och smarta sensorer, baserad på 2D halvledande TMDC, säger Chi.
