Nästa generation av 2D-halvledarmaterial gillar inte vad den ser när den ser sig i spegeln. Nuvarande syntetiseringsmetoder för att göra enkelskiktiga nanoskivor av halvledande material för atomärt tunn elektronik utvecklar en märklig "spegeltvilling"-defekt när materialet avsätts på enkristallsubstrat som safir. Det syntetiserade nanoarket innehåller korngränser som fungerar som en spegel, med arrangemanget av atomer på varje sida organiserade i reflekterad motsättning till varandra.
Detta är ett problem, enligt forskare från Penn State's Two-Dimensional Crystal Consortium-Materials Innovation Platform (2DCC-MIP) och deras samarbetspartners. Elektroner sprids när de träffar gränsen, vilket minskar prestandan hos enheter som transistorer. Detta är en flaskhals, sa forskarna, för utvecklingen av nästa generations elektronik för applikationer som Internet of Things och artificiell intelligens. Men nu kan forskargruppen ha kommit på en lösning för att rätta till denna defekt. De har publicerat sitt arbete i Nature Nanotechnology .
Denna studie kan ha en betydande inverkan på halvledarforskning genom att göra det möjligt för andra forskare att minska spegeltvillingdefekter, enligt huvudförfattaren Joan Redwing, chef för 2DCC-MIP, särskilt som området har ökat uppmärksamheten och finansieringen från CHIPS and Science Act som godkändes senast år. Lagstiftningens godkännande ökade finansieringen och andra resurser för att öka USA:s ansträngningar för att onshore produktion och utveckling av halvledarteknologi.
Ett enskiktsark av volframdiselenid - bara tre atomer tjockt - skulle göra en mycket effektiv, atomärt tunn halvledare för att kontrollera och manipulera elektriskt strömflöde, enligt Redwing. För att göra nanoarket använder forskarna metallorganisk kemisk ångavsättning (MOCVD), en halvledartillverkningsteknologi som används för att avsätta ultratunna enkristallskikt på ett substrat, i det här fallet en safirskiva.
Medan MOCVD används i syntesen av andra material, var 2DCC-MIP-forskarna banbrytande för dess användning för syntes av 2D-halvledare som volframdiselenid, sa Redwing. Volframdiselenid tillhör en klass av material som kallas övergångsmetalldikalkogenider och som är tre atomer tjocka, med volframmetallen inklämd mellan icke-metalliska selenidatomer, som uppvisar önskvärda halvledande egenskaper för avancerad elektronik.
"För att uppnå enskiktsark med en hög grad av kristallin perfektion använde vi safirskivor som mall för att anpassa volframdiselenidkristallerna när de avsätts av MOCVD på waferytan", säger Redwing, som också är en framstående professor i material. vetenskap och teknik och elektroteknik vid Penn State. "Men volframdiselenidkristallerna kan riktas in i motsatta riktningar på safirsubstratet. När de motsatt orienterade kristallerna blir större i storlek möts de till slut med varandra på safirytan för att bilda spegeltvillinggränsen."
För att lösa detta problem och få de flesta av volframdiselenidkristallerna att passa in med safirkristallerna, utnyttjade forskarna "steg" på safirytan. Enkristallen av safir som utgör wafern är mycket perfekt i fysiktermer; den är dock inte helt platt på atomnivå. Det finns steg på ytan som bara är en atom eller två höga med plana områden mellan varje steg.
Här, sa Redwing, hittade forskarna den misstänkta källan till spegeldefekten.
Steget på safirglasytan är där volframdiselenidkristallerna tenderade att fästa, men inte alltid. Kristallinriktningen när den var fäst vid stegen tenderade att vara i en riktning.
"Om kristallerna alla kan riktas in i samma riktning, kommer spegeltvillingdefekter i lagret att reduceras eller till och med elimineras," sa Redwing.
Forskarna fann att genom att kontrollera MOCVD-processförhållandena kunde de flesta av kristallerna fås att fästa vid safiren vid stegen. Och under experimenten gjorde de en bonusupptäckt:Om kristallerna fäster vid toppen av steget, riktar de sig i en kristallografisk riktning; om de fästs i botten, riktas de i motsatt riktning.
"Vi fann att det var möjligt att få majoriteten av kristallerna att fästa vid antingen den övre eller nedre kanten av stegen," sa Redwing och krediterade experimentellt arbete utfört av Haoyue Zhu, postdoktor, och Tanushree Choudhury, biträdande forskningsprofessor , i 2DCC-MIP. "Detta skulle ge ett sätt att avsevärt minska antalet spegeltvillinggränser i lagren."
Nadire Nayir, en postdoktor under handledning av professor Adri van Duin vid universitetet, ledde forskare i 2DCC-MIP Theory/Simulation faciliteten att utveckla en teoretisk modell av atomstrukturen hos safirytan för att förklara varför volframdiseleniden fästs på toppen eller botten kanten av stegen. De teoretiserade att om safirens yta var täckt med selenatomer, då skulle de fästa vid den nedre kanten av stegen; om safiren bara är delvis täckt så att stegets nedre kant saknar selenatom, då är kristallerna fästa på toppen.
För att bekräfta denna teori arbetade forskarna från Penn State 2DCC-MIP med Krystal York, en doktorand i forskningsgruppen Steven Durbin, professor i el- och datorteknik vid Western Michigan University. Hon bidrog till studien som en del av 2DCC-MIP Resident Scholar Visitor Program. York lärde sig hur man odlar tunna filmer av volframdiselenid via MOCVD medan hon använde 2DCC-MIP-faciliteter för sin doktorsavhandling. Hennes experiment hjälpte till att bekräfta att metoden fungerade.
"Medan de utförde dessa experiment observerade Krystal att riktningen för volframdiseleniddomäner på safir ändrades när hon varierade trycket i MOCVD-reaktorn," sa Redwing. "Denna experimentella observation gav verifiering av den teoretiska modellen som utvecklades för att förklara fästningsplatsen för volframdiselenidkristaller på stegen på safirskivan."
Volframdiselenidprover i waferskala på safir framställda med denna nya MOCVD-process är tillgängliga för forskare utanför Penn State via användarprogrammet 2DCC-MIP.
"Applikationer som artificiell intelligens och Internet of Things kommer att kräva ytterligare prestandaförbättringar samt sätt att minska energiförbrukningen för elektronik," sa Redwing. "Högkvalitativa 2D-halvledare baserade på volframdiselenid och relaterade material är viktiga material som kommer att spela en roll i nästa generations elektronik."
Mer information: Haoyue Zhu et al, Stegteknik för kärnbildning och domänorienteringskontroll i WSe2 epitaxi på c-plane safir, Nature Nanotechnology (2023). DOI:10.1038/s41565-023-01456-6
Journalinformation: Nanoteknik i naturen
Tillhandahålls av Pennsylvania State University
