Experimenteel nanosheetmateriaal markeert een stap in de richting van de volgende generatie low-power, high-performance elektronica

De Bi₂Te₃ nanosheets met hoge geleidbaarheid werden gekweekt op MoS₂ zoals van der Waals contacten, wat leidt tot een krachtige MoS₂ FET. Credits: Nano Research, Tsinghua University Press

Een team van onderzoekers in China heeft een hooggeleidend materiaal ontwikkeld dat de contactweerstand en de Schottky-barrièrehoogte in kritieke delen van elektronische en opto-elektronische microchips aanzienlijk kan verminderen, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor computer- en digitale beeldvormingscomponenten die minder stroom verbruiken in verhouding tot hun prestaties dan bestaande chipsets.

Het materiaal, molybdeendisulfide (MoS₂) is zo dun dat het in een classificatie van tweedimensionaal valt. Dat wil zeggen, het wordt gegroeid in vellen die zich in twee richtingen uitstrekken, X en Y, maar vrijwel onmeetbaar op een Z-as omdat het materiaal vaak slechts een enkel molecuul of atoom hoog is.

Het team, geleid door professor Dong Li en professor Anlian Pan, College of Materials Science and Engineering aan de Universiteit van Hunan, publiceerden hun bevindingen in Nano-onderzoek.

In het artikel “Epitaxial van der Waals Contacts for Low Schottky Barrier MoS₂ Field Effect Transistors,” benadrukken de auteurs hoe 2D-materialen enorme aandacht hebben getrokken vanwege hun overvloedige en afstembare elektronische toestanden en diverse optische, elektronische en mechanische eigenschappen, waardoor ze veelbelovende bouwstenen zijn voor toekomstige hoogwaardige elektronische en opto-elektronische apparaten, zoals zoals transistors, fotodetectoren en lichtgevende diodes.

Het experiment was een poging om aan te pakken. “De prestaties van een 2D-halfgeleidertransistor zijn voornamelijk afhankelijk van de microscopische verbindingen tussen componenten binnen een chip, en de kwaliteit van die verbindingen hangt uiteindelijk af van het materiaal dat wordt gebruikt in deze contactpunten, die altijd metalen zijn die worden verkregen door thermische verdamping, waardoor de prestaties van 2D-transistors op basis van materialen,” zei Li.

In een poging een beter presterend contactpunt te ontwikkelen, nam het team van Li Bismuth Telluride (Bi₂Te₃), een sterk geleidende metalloïde en halfmetaal in combinatie met halfgeleidende MoS₂. Het samen laten groeien van deze metalloïde nanosheet-kristallen als een hybride leverde aanvankelijk veelbelovende resultaten op.

“Pogingen in de afgelopen jaren om epitaxiaal gegroeide halfgeleidercontacten te bereiken, zijn geslaagd in laboratoriumomgevingen, maar waren waarschijnlijk geen kandidaten om te worden opgeschaald naar het niveau dat nodig zou zijn om chips en andere apparaten te vervaardigen, ” zei Li.

“De meeste van deze methoden stellen strikte eisen aan materiaalvoorbereiding en strikte fabricage en zijn nauwelijks compatibel met verdere fabricageprocessen in geïntegreerde schakelingen. De realisatie van hoogwaardige halfgeleidende 2D-materialen en tegelijkertijd uitstekend contact is van cruciaal belang voor betrouwbare apparaattoepassingen. “

Het fabricageproces van dit experimentele van der Waals-contact omvatte het verticaal stapelen van MoS₂ en Bi₂Te₃ in een syntheseproces in twee stappen. Als de groei van MoS₂ monolaag, molybdeentrioxide (MoO₃) poeder en zwavelpoeder werden respectievelijk in het midden en de bovenste stroom van de oven geplaatst, en een stuk siliciumdioxide (SiO₂) substraat werd stroomafwaarts van een kwartsbuis geplaatst.

Voor de tweede groeistap van de Bi₂Te₃ nanoblad, de Bi₂Te₃ poeder en de as-grown MoS₂ nanosheets werden respectievelijk in het midden en stroomafwaarts van de kwartsbuis geplaatst. Na 5 minuten groei, MoS₂/Bi₂Te₃ heterostructuren werden verkregen.

De onderzoekers merkten op dat de groeitemperatuur en de gasstroomsnelheid tijdens het groeiproces de dikte en nucleatieplaatsen van de Bi konden beïnvloeden₂Te₃ nanobladen.

Het team gebruikte een verscheidenheid aan elektrische en beeldvormende technieken om het uiterlijk en de geleidende prestaties van de hybride nanosheets te observeren en ontdekte dat de nieuwe contactmethode veel beter presteerde dan gouden contacten, die nuttig zijn als basismeting omdat goud veel voorkomt in de chipproductie.

De nieuwe contactmethode werd getest bij verschillende omgevingstemperaturen en behield goede prestaties bij kamertemperatuur – een belangrijke mijlpaal bij het maken van MoS₂/Bi₂Te₃ halfgeleidende contactmethode een goede kandidaat voor toekomstige commerciële levensvatbaarheid.

“Door de vele voordelen te combineren, is de epitaxiaal van der Waals Bi₂Te₃ contacten zorgen voor een nieuwe strategie voor de toepassing van 2D MoS₂ in toekomstige opto-elektronische apparaten,” zei Li.

“Nu we de functionaliteit van Bi₂Te₃ contacten in een gecontroleerde laboratoriumomgeving, zullen de volgende stappen zijn om deze methode verder te onderzoeken en te optimaliseren, in de hoop dat deze nieuwe technologie uiteindelijk kan worden toegepast voor wijdverbreid gebruik in krachtigere elektronica met een lager energieverbruik.”