Afpeloppervlakken drijven transistors naar de richel

Deze dwarsdoorsnede toont de lange en monolaag MoS₂ nanoribbon bovenop de richel van Ga₂O₃ substraat. Krediet: 2020 KAUST

Halfgeleiderfabrikanten besteden meer aandacht aan tweedimensionale materialen, zoals overgangsmetaaldichalcogeniden (TMD’s), na de ontdekking, bij KAUST, van een epitaxiaal groeiproces van enkelkristallen TMD’s nanoribbons.

Een opkomende trend in transistorontwerp betreft ruimtebesparende architecturen die componenten op elkaar stapelen. TMD’s hebben potentieel voor deze systemen omdat ze gemakkelijk worden gevormd tot dunne vellen, bekend als nanoribbons, die elektrische, optische en magnetische activiteit hebben. Typische halfgeleiderprocessen, zoals fotolithografie, vereisen echter gecompliceerde procedures om TMD’s van voldoende kwaliteit voor apparaatdoeleinden te produceren.

In samenwerking met onderzoekers in de VS, België en Taiwan, ontwikkelen Vincent Tung en collega’s van KAUST alternatieve benaderingen voor TMD-fabricage met behulp van oppervlaktemallen om de groei van eenkristal te sturen.

Bij het analyseren van kandidaten met elektronenmicroscopie met hoge resolutie ontdekte onderzoeker Areej Aljarb iets ongewoons aan een halfgeleider genaamd galliumtrioxide (Ga₂O₃). Nadat ze lagen van het schilferende materiaal met plakband had afgepeld, zag ze reeksen smalle, terrasachtige richels die de hele Ga op of af liepen.₂O₃ oppervlakte.

“De trappen zijn erg steil en goed belicht”, zegt Aljarb. “En omdat de atomen in de buurt van deze richels asymmetrische structuren hebben, kunnen ze groei in specifieke richtingen stimuleren.”

Toen het team Ga₂O₃ oppervlakten tot een mengsel van molybdeen en zwavelgas, zagen ze dat TMD-nanoribbons in de lengterichting kristalliseerden langs de richels met structuren die praktisch defectvrij waren. Microscopie-experimenten en theoretische modellen onthulden dat de richelatomen unieke energetische kenmerken hadden die uitgelijnde nucleatie mogelijk maakten om enkelkristallen nanoribbons te vormen. “Wetenschappers hebben tientallen jaren geprobeerd om 2-D monokristallijne halfgeleiders op isolatoren te laten groeien, en dit werk toont aan dat het beheersen van de richels van het substraat de sleutel is”, zegt Tung.

Het is intrigerend dat de nanoribbons kunnen worden verwijderd en overgebracht naar andere substraten zonder ze te beschadigen. Om mogelijke toepassingen van de ledge-gestuurde groeitechnologie te onderzoeken, heeft de internationale groep zich verenigd om een ​​transistor te ontwerpen die nanoribbons van de Ga₂O₃ sjabloon. Elektronische metingen toonden aan dat de nieuwe transistor met hoge snelheden kon werken en versterkingsfactoren had die vergelijkbaar waren met TMD-materialen die waren geproduceerd met meer arbeidsintensieve technieken.

“De nanoribbons groeien langs de richels met behulp van zwakke fysieke interacties om op hun plaats te blijven, wat betekent dat er geen chemische bindingen ontstaan ​​tussen de TMD en het onderliggende Ga₂O₃ substraat, “merkt Aljarb op.” Deze unieke eigenschap stelt ons in staat om de nanoribbons over te brengen op vreemde substraten voor vele toepassingen, variërend van transistors, sensoren, kunstmatige spieren en atomair dunne fotovoltaïsche cellen. ”