Spieglein, Spieglein, wer ist der effizienteste Halbleiter von allen?

Ein Team von Forschern unter der Leitung der Penn State University hat herausgefunden, dass Stufen im atomaren Maßstab auf Saphirsubstraten die Kristallausrichtung von 2D-Materialien während der Halbleiterherstellung ermöglichen. Die Manipulation dieser Materialien während der Synthese kann Defekte reduzieren und die Leistung elektronischer Geräte verbessern. Bildnachweis: Jennifer McCann/Penn State / Penn State. Alle Rechte vorbehalten.

3. August 2023

Von Jamie Oberdick

UNVERSITY PARK, Pennsylvania – Der nächsten Generation von 2D-Halbleitermaterialien gefällt nicht, was sie sieht, wenn sie in den Spiegel schaut. Aktuelle Syntheseansätze zur Herstellung einschichtiger Nanoblätter aus halbleitendem Material für atomar dünne Elektronik entwickeln einen besonderen „Spiegelzwilling“-Defekt, wenn das Material auf einkristallinen Substraten wie Saphir abgeschieden wird. Das synthetisierte Nanoblatt enthält Korngrenzen, die als Spiegel wirken, wobei die Anordnung der Atome auf jeder Seite in reflektierter Opposition zueinander angeordnet ist.

Laut Forschern der Two-Dimensional Crystal Consortium-Materials Innovation Platform (2DCC-MIP) der Penn State University und ihren Mitarbeitern ist dies ein Problem. Elektronen streuen, wenn sie die Grenze erreichen, wodurch die Leistung von Geräten wie Transistoren verringert wird. Dies sei ein Engpass für die Weiterentwicklung der Elektronik der nächsten Generation für Anwendungen wie das Internet der Dinge und künstliche Intelligenz, sagten die Forscher. Doch nun hat das Forscherteam möglicherweise eine Lösung gefunden, um diesen Mangel zu beheben. Sie veröffentlichten ihre Arbeit in Nature Nanotechnology.

Laut Hauptautorin Joan Redwing, Direktorin von 2DCC-MIP, könnte diese Studie einen erheblichen Einfluss auf die Halbleiterforschung haben, indem sie es anderen Forschern ermöglicht, Spiegelzwillingsdefekte zu reduzieren, insbesondere da das Gebiet mehr Aufmerksamkeit und Finanzierung durch das zuletzt genehmigte CHIPS- und Wissenschaftsgesetz erhalten hat Jahr. Durch die Ermächtigung des Gesetzes wurden die Mittel und andere Ressourcen aufgestockt, um Amerikas Bemühungen zur Onshore-Produktion und -Entwicklung von Halbleitertechnologie voranzutreiben.

Eine einlagige Schicht aus Wolframdiselenid – nur drei Atome dick – würde laut Redwing einen hochwirksamen, atomar dünnen Halbleiter zur Steuerung und Manipulation des elektrischen Stromflusses ergeben. Um das Nanoblatt herzustellen, nutzen die Forscher die metallorganische chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD), eine Halbleiterfertigungstechnologie, mit der ultradünne Einkristallschichten auf einem Substrat, in diesem Fall einem Saphirwafer, abgeschieden werden.

Während MOCVD bei der Synthese anderer Materialien eingesetzt wird, leisteten die 2DCC-MIP-Forscher Pionierarbeit bei der Verwendung für die Synthese von 2D-Halbleitern wie Wolframdiselenid, sagte Redwing. Wolframdiselenid gehört zu einer Klasse von Materialien, die Übergangsmetalldichalkogenide genannt werden und drei Atome dick sind, wobei das Wolframmetall zwischen nichtmetallischen Selenidatomen eingeschlossen ist und wünschenswerte halbleitende Eigenschaften für fortschrittliche Elektronik aufweist.

„Um einschichtige Folien mit einem hohen Grad an kristalliner Perfektion zu erhalten, haben wir Saphirwafer als Vorlage verwendet, um die Wolframdiselenidkristalle auszurichten, während sie durch MOCVD auf der Waferoberfläche abgeschieden werden“, sagte Redwing, der auch ein angesehener Professor für Materialien ist Naturwissenschaften und Ingenieurwesen sowie Elektrotechnik an der Penn State. „Allerdings können sich die Wolframdiselenidkristalle auf dem Saphirsubstrat in entgegengesetzte Richtungen ausrichten. Wenn die entgegengesetzt ausgerichteten Kristalle größer werden, treffen sie schließlich auf der Saphiroberfläche aufeinander und bilden die Spiegelzwillingsgrenze.“

Um dieses Problem zu lösen und die meisten Wolframdiselenidkristalle mit den Saphirkristallen in Einklang zu bringen, nutzten die Forscher „Stufen“ auf der Saphiroberfläche. Der Saphir-Einkristall, aus dem der Wafer besteht, ist physikalisch höchst perfekt; Auf atomarer Ebene ist es jedoch nicht vollkommen flach. Es gibt Stufen auf der Oberfläche, die nur ein oder zwei Atome hoch sind, mit flachen Bereichen zwischen den einzelnen Stufen.

Hier, so Redwing, hätten die Forscher die vermutete Ursache des Spiegeldefekts gefunden.

Die Stufe auf der Oberfläche des Saphirglases ist die Stelle, an der sich die Wolframdiselenidkristalle festsetzten, allerdings nicht immer. Bei der Anbringung an den Stufen war die Ausrichtung der Kristalle tendenziell in eine Richtung gerichtet.

„Wenn die Kristalle alle in die gleiche Richtung ausgerichtet werden können, werden Spiegelzwillingsdefekte in der Schicht reduziert oder sogar beseitigt“, sagte Redwing.

Die Forscher fanden heraus, dass durch die Steuerung der MOCVD-Prozessbedingungen die meisten Kristalle an den Stufen an den Saphir gebunden werden konnten. Und während der Experimente machten sie eine zusätzliche Entdeckung: Wenn die Kristalle oben auf der Stufe anhaften, richten sie sich in einer kristallografischen Richtung aus; Wenn sie unten befestigt werden, richten sie sich in die entgegengesetzte Richtung aus.

„Wir fanden heraus, dass es möglich war, den Großteil der Kristalle entweder am oberen oder unteren Rand der Stufen zu befestigen“, sagte Redwing und würdigte die experimentellen Arbeiten von Haoyue Zhu, Postdoktorand, und Tanushree Choudhury, Assistenzprofessorin für Forschung , in 2DCC-MIP. „Dies würde eine Möglichkeit bieten, die Anzahl der Spiegelzwillingsgrenzen in den Schichten deutlich zu reduzieren.“

Nadire Nayir, eine Postdoktorandin unter der Leitung des angesehenen Universitätsprofessors Adri van Duin, leitete Forscher in der 2DCC-MIP-Theorie-/Simulationseinrichtung, um ein theoretisches Modell der atomaren Struktur der Saphiroberfläche zu entwickeln, um zu erklären, warum das Wolframdiselenid an der Ober- oder Unterseite haftet Rand der Stufen. Sie stellten die Theorie auf, dass, wenn die Oberfläche des Saphirs mit Selenatomen bedeckt wäre, diese sich an der Unterkante der Stufen festsetzen würden; Wenn der Saphir nur teilweise bedeckt ist, so dass am unteren Rand der Stufe kein Selenatom vorhanden ist, haften die Kristalle an der Oberseite.

Um diese Theorie zu bestätigen, arbeiteten die Forscher des Penn State 2DCC-MIP mit Krystal York zusammen, einer Doktorandin in der Forschungsgruppe von Steven Durbin, Professor für Elektro- und Computertechnik an der Western Michigan University. Sie trug im Rahmen des 2DCC-MIP Resident Scholar Visitor Program zu der Studie bei. York lernte, wie man dünne Wolframdiselenidfilme mittels MOCVD züchtet, während sie 2DCC-MIP-Anlagen für ihre Doktorarbeit nutzte. Ihre Experimente halfen zu bestätigen, dass die Methode funktionierte.

„Während der Durchführung dieser Experimente beobachtete Krystal, dass sich die Richtung der Wolframdiseleniddomänen auf Saphir änderte, als sie den Druck im MOCVD-Reaktor variierte“, sagte Redwing. „Diese experimentelle Beobachtung lieferte eine Bestätigung des theoretischen Modells, das entwickelt wurde, um den Anlagerungsort von Wolframdiselenidkristallen auf Stufen auf dem Saphirwafer zu erklären.“

Wolframdiselenidproben im Wafer-Maßstab auf Saphir, die mit diesem neuartigen MOCVD-Verfahren hergestellt wurden, stehen Forschern außerhalb von Penn State über das 2DCC-MIP-Benutzerprogramm zur Verfügung.

„Anwendungen wie künstliche Intelligenz und das Internet der Dinge erfordern weitere Leistungsverbesserungen sowie Möglichkeiten zur Reduzierung des Energieverbrauchs der Elektronik“, sagte Redwing. „Hochwertige 2D-Halbleiter auf Basis von Wolframdiselenid und verwandten Materialien sind wichtige Materialien, die dies tun werden.“ eine Rolle in der Elektronik der nächsten Generation spielen.“

Weitere Papierautoren sind Anushka Bansal, Benjamin Huet, Kunyan Zhang, Saiphaneendra Bachu, Thomas V. McKnight, Nicholas Trainor, Aaryan Oberoi, Ke Wang, Saptarshi Das, Shengxi Huang, Nasim Alem und Vincent H. Crespi, alle aus Penn State; Alexander A. Puretzky, Oak Ridge National Laboratory; und Robert A. Makin, Western Michigan University.

Die National Science Foundation unterstützte diese Arbeit durch das 2DCC-MIP.

Jamie Oberdick

Erhalten Sie die Neuigkeiten per E-Mail