Nieuwe vorm van silicium kan een revolutie teweegbrengen in de halfgeleiderindustrie

Na een 10-jarige onderzoeksstudie die per ongeluk begon en met scepsis werd ontvangen, was een team van werktuigbouwkundigen van de Northeastern University in staat om zeer dichte, ultradunne siliciumnanodraden te synthetiseren die een revolutie teweeg zouden kunnen brengen in de halfgeleiderindustrie. Hun onderzoek verschijnt in Natuurcommunicatie.

Yung Joon Jung, hoogleraar werktuigbouwkunde en industriële techniek in het noordoosten, zegt dat het misschien wel zijn favoriete onderzoeksproject was.

“Alles is nieuw en het vereiste veel doorzettingsvermogen”, zegt Jung, die gespecialiseerd is in engineering en toepassing van nanostructuursystemen en eerder koolstofnanobuisjes bestudeerde.

Jung en zijn medewerkers, waaronder een andere noordoostelijke professor in werktuigbouwkunde, Moneesh Upmanyu, hebben een grote vooruitgang geboekt in de synthese van nanodraden door een nieuwe, zeer dichte vorm van silicium te ontdekken en een nieuw, schaalbaar katalysatorvrij etsproces te beheersen om ultrakleine silicium nanodraden met een diameter van twee tot vijf nanometer.

Ongeveer 10 jaar geleden vestigden studenten de aandacht van Jung op een ongebruikelijk resultaat van een experiment dat ze uitvoerden met siliciumwafels. Het materiaal dat hij onder een elektronenmicroscoop zag, was anders dan het materiaal dat ze wilden produceren, zegt Jung.

Hij besloot meer over deze stof te weten te komen en ontdekte dat het silicium was met “een heel, heel kleine” draadachtige nanostructuur, zegt Jung. Ze konden het nieuwe materiaal reproduceren, zegt hij, maar toen ze probeerden het syntheseproces te verbeteren, groeiden de nanodraden niet.

De wetenschapper en zijn team moesten vanaf het begin het synthesemechanisme en de structuur en eigenschappen op atomaire schaal van het materiaal bestuderen. Jung, een experimentator, besloot Upmanyu in te schakelen, die theorie, computermodellering en simulatie gebruikt om materialen te begrijpen en experimenten uit te leggen.

“Ik heb altijd hulp van Moneesh nodig om te begrijpen wat er gebeurt”, zegt Jung.

De wetenschappers dachten dat de stof die tijdens de synthese uit siliciumwafels ontstond, misschien helemaal geen silicium was. Het materiaal had een sterk gecomprimeerde structuur, verminderd met 10% tot 20% in vergelijking met gewoon silicium, dat normaal gesproken niet stabiel is in zo’n gecomprimeerde toestand, zegt Upmanyu.

Sommige van hun collega’s en onderzoeksrecensenten waren dezelfde mening toegedaan. “Ze zouden zeggen: ‘Dit zou geen silicium moeten zijn’ of ‘Dit zou niet mogen gebeuren met silicium'”, zegt Jung.

Door de computationele analyse en modellering kon Upmanyu aantonen dat, ondanks ongebruikelijke eigenschappen, het nieuwe materiaal een vorm van silicium was met een zeer dunne laag oxide erop, wat waarschijnlijk helpt om de compressie te ondersteunen, zegt hij.

“Dit materiaal is veelbelovend”, zegt hij. “Die compressie, denk ik, is de kern van alle interessante eigenschappen die je ziet.”

Een van de redenen waarom silicium veel wordt gebruikt als halfgeleider in micro-elektronica, zoals computerchips, geïntegreerde schakelingen, transistors, siliciumdiodes en LCD-schermen, is dat het goedkoop en overvloedig is, zegt Upmanyu. Volgens de Royal Society of Chemistry is het na zuurstof het meest voorkomende element in de aardkorst, maar het komt niet voor in zijn pure, ongecombineerde staat in de natuur. Het kan worden gevonden in zand, kwarts, vuursteen, graniet, mica en klei, naast andere stenen en mineralen.

In de jaren zeventig gaf de bloeiende siliciumcomputerchipindustrie zelfs een nieuwe naam aan de zuidelijke regio van de Baai van San Francisco – ‘Silicon Valley’ – die populair werd gemaakt door Don Hoefler, een verslaggever van Electronic News Magazine.

Traditioneel silicium is echter niet bestand tegen hoge temperaturen en is daarom beperkt tot toepassingen met een lager vermogen. Het heeft een bandgap van 1,11 elektron Volt (bandgap bepaalt de energie die nodig is om de elektronen in het halfgeleidende materiaal elektriciteit te laten geleiden wanneer ze worden gestimuleerd door externe bronnen).

Het nieuwe materiaal heeft een ultrabrede bandgap van 4,16 eV, een wereldrecord, zegt Jung. De ultrabrede bandgap houdt in dat het materiaal grotere stimuli nodig heeft om elektriciteit te geleiden, maar kan werken op hoog vermogen, hoge temperatuur en hoge frequenties. Silicium-nanodraden geproduceerd uit dit nieuwe materiaal zullen geschikt zijn voor vermogenselektronica, transistors, diodes en LED-apparaten, zegt Jung.

In tegenstelling tot gewoon silicium is het nieuwe materiaal zeer goed bestand tegen oxidatie. Het is ook fotoluminant – in staat om blauw en paars licht uit te zenden, dat kan worden gebruikt voor ultraviolette verlichting en in blauwlichtdiodes.

Jung en zijn onderzoeksteam hebben ook een nieuwe methode ontwikkeld voor het produceren van silicium nanodraden, genaamd chemisch dampetsen, waarbij materiaal wordt verwijderd in plaats van kristallen te laten groeien. Hierdoor kunnen ze nanodraden maken die 10 tot 20 keer kleiner zijn dan de silicium nanodraden die momenteel commercieel worden gebruikt.

Eerder bekende nanodraadsyntheseprocessen gebruiken katalysatordeeltjes om siliciumkristallen te laten groeien.

“Het katalysatorvrije aspect kan niet genoeg worden overschat, omdat het de noodzaak elimineert om de katalysator na synthese te verwijderen, wat steevast de functionele eigenschappen van de nanodraden aantast”, zegt Jung.

Soms worden katalysatordeeltjes onderdeel van het nanodraadoppervlak, zegt hij, en is verwijdering bijna onmogelijk.

Op dit punt kunnen de wetenschappers nanodraden reproduceren met een gecontroleerde lengte tot 100 micron.

“Ik voel een brede impact in de toekomst”, zegt Upmanyu. “Deze chemische damp-etsmethode die hij [Jung] heeft gepionierd, zal nuttig zijn voor tal van andere materialen … Je kunt niet alleen elektronische toepassingen denken, maar elke toepassing waarbij je een materiaal op kleine schaal wilt laten maken. … Het is zeer krachtig.”

Hij zegt dat het nieuwe siliciummateriaal zeer aantrekkelijk moet zijn voor de halfgeleiderindustrie. Het kan worden gebruikt in militaire radio’s, radars en in fotovoltaïsche systemen zoals zonnecellen. De normale bandgap van silicium laat niet toe om ultraviolet licht te verwerken en te gebruiken voor het opwekken van elektriciteit, zegt Upmanyu.

“Dus als je een materiaal met een brede bandgap hebt, dat goedkoop en overvloedig is, zoals silicium, kun je nu zeer efficiënte zonnecellen hebben”, zegt hij.

Het kan zelfs worden gebruikt voor het oogsten van zonne-energie onder water. Water absorbeert het rode en infrarode spectrum, zegt Upmanyu, dus zonnecellen die blauw en ultraviolet licht kunnen oogsten, worden cruciaal.

De nieuwe silicium nanodraden kunnen lithium-ionbatterijen verbeteren, zegt Jung. Verdere toevoeging van een aantal geselecteerde materialen zoals fosfor of stikstof (een techniek die doping wordt genoemd) kan leiden tot andere interessante eigenschappen en andere toepassingen mogelijk maken, zegt Upmanyu.

Hij gelooft dat verschillende interessante kwantumfenomenen kunnen worden gemanipuleerd in deze siliciumnanodraden, vanwege hun zeer kleine formaat, wat dit materiaal veelbelovend maakt voor kwantuminformatieverwerking en misschien zelfs kwantumcomputing, zegt Upmanyu.

Verschillende andere technische instellingen over de hele wereld hebben bijgedragen aan dit onderzoek, waaronder het Korea Institute of Science and Technology, Korea Advanced Institute of Science and Technology, Tokyo University of Science, University of Science and Technology of China en Rensselaer Polytechnic Institute in New York.

Het onderzoek is nog niet afgelopen. De wetenschappers zijn nog steeds geïnteresseerd om alle chemie achter het proces beter te begrijpen en uit te zoeken waarom de compressie van deze vorm van silicium zo stabiel is. Ze willen het etsproces optimaliseren om een ​​gladder oppervlak te krijgen en het verder opschalen voor industriële toepassing.

“Je wilt het proces kunnen begrijpen, zodat je het kunt manipuleren tot wat je wilt doen”, zegt Upmanyu.

Ze zullen ook op zoek zijn naar medewerkers die geïnteresseerd zijn in het maken van apparaten met dit nieuwe siliciummateriaal.

“Je wilt dat een nieuwe vorm van iets dat je hebt gemaakt zo breed mogelijk wordt toegepast. Ik denk dat commercialisering en apparaatintegratie hier de sleutel zijn”, zegt Upmanyu.