Onderzoekers hebben mogelijk het ‘mirror twins’-defect opgelost dat de volgende generatie 2D-halfgeleiders teistert

De volgende generatie 2D-halfgeleidermaterialen houdt niet van wat het ziet als het in de spiegel kijkt. De huidige synthesebenaderingen om enkellaagse nanosheets van halfgeleidend materiaal te maken voor atomair dunne elektronica ontwikkelen een eigenaardig “mirror twin” -defect wanneer het materiaal wordt afgezet op monokristalsubstraten zoals saffier. Het gesynthetiseerde nanoblad bevat korrelgrenzen die fungeren als een spiegel, met de opstelling van atomen aan elke kant georganiseerd in gereflecteerde oppositie ten opzichte van elkaar.

Dit is een probleem, volgens onderzoekers van het Two-Dimensional Crystal Consortium-Materials Innovation Platform (2DCC-MIP) van Penn State en hun medewerkers. Elektronen verspreiden zich wanneer ze de grens raken, waardoor de prestaties van apparaten zoals transistors afnemen. Dit is een knelpunt, aldus de onderzoekers, voor de vooruitgang van elektronica van de volgende generatie voor toepassingen zoals internet der dingen en kunstmatige intelligentie. Maar nu heeft het onderzoeksteam misschien een oplossing bedacht om dit defect te verhelpen. Ze hebben hun werk gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie.

Volgens hoofdauteur Joan Koperwiek, directeur van 2DCC-MIP, zou deze studie een aanzienlijke impact kunnen hebben op halfgeleideronderzoek door andere onderzoekers in staat te stellen spiegeltweelingdefecten te verminderen, vooral omdat het veld meer aandacht en financiering heeft gekregen van de laatst goedgekeurde CHIPS en Science Act jaar. De goedkeuring van de wetgeving verhoogde de financiering en andere middelen om de inspanningen van Amerika om de productie en ontwikkeling van halfgeleidertechnologie aan land te brengen, te stimuleren.

Een enkellaags vel wolfraamdiselenide – slechts drie atomen dik – zou volgens Redwing een zeer effectieve, atomair dunne halfgeleider zijn om de elektrische stroom te regelen en te manipuleren. Om de nanosheet te maken, gebruiken de onderzoekers metal organic chemical vapour deposition (MOCVD), een halfgeleiderproductietechnologie die wordt gebruikt om ultradunne monokristallijne lagen op een substraat af te zetten, in dit geval een saffierwafer.

Terwijl MOCVD wordt gebruikt bij de synthese van andere materialen, waren de 2DCC-MIP-onderzoekers een pionier in het gebruik ervan voor de synthese van 2D-halfgeleiders zoals wolfraamdiselenide, zei Redwing. Wolfraamdiselenide behoort tot een klasse materialen die overgangsmetaaldichalcogeniden worden genoemd en die drie atomen dik zijn, met het wolfraammetaal ingeklemd tussen niet-metalen selenideatomen, die wenselijke halfgeleidende eigenschappen vertonen voor geavanceerde elektronica.

“Om enkellaagse vellen met een hoge mate van kristallijne perfectie te bereiken, gebruikten we saffierwafels als een sjabloon om de wolfraamdiselenidekristallen uit te lijnen terwijl ze door MOCVD op het wafeloppervlak worden afgezet”, zegt Koperwiek, die ook een vooraanstaand professor in materialen is. wetenschap en techniek en elektrotechniek aan Penn State. “De wolfraamdiselenidekristallen kunnen echter in tegengestelde richtingen op het saffiersubstraat worden uitgelijnd. Naarmate de tegengesteld georiënteerde kristallen groter worden, ontmoeten ze elkaar uiteindelijk op het saffieroppervlak om de spiegeltweelinggrens te vormen.”

Om dit probleem op te lossen en de meeste wolfraamdiselenidekristallen op één lijn te krijgen met de saffierkristallen, maakten de onderzoekers gebruik van “stappen” op het saffieroppervlak. Het saffier-enkele kristal waaruit de wafel bestaat, is natuurkundig gezien zeer perfect; het is echter niet perfect vlak op atomair niveau. Er zijn treden aan de oppervlakte die slechts een atoom of twee hoog zijn met vlakke gebieden tussen elke trede.

Hier, zei Kopervleugel, vonden de onderzoekers de vermoedelijke bron van het spiegeldefect.

De stap op het oppervlak van het saffierkristal is waar de wolfraamdiselenidekristallen zich vaak hechten, maar niet altijd. De uitlijning van het kristal bij bevestiging aan de treden had de neiging om in één richting te zijn.

“Als de kristallen allemaal in dezelfde richting kunnen worden uitgelijnd, zullen spiegeltweelingdefecten in de laag worden verminderd of zelfs geëlimineerd”, zei Koperwiek.

De onderzoekers ontdekten dat door de MOCVD-procesomstandigheden te beheersen, de meeste kristallen bij de stappen aan de saffier konden worden gehecht. En tijdens de experimenten deden ze een bonusontdekking: als de kristallen zich aan de bovenkant van de trede hechten, worden ze in één kristallografische richting uitgelijnd; als ze aan de onderkant worden bevestigd, worden ze in de tegenovergestelde richting uitgelijnd.

“We ontdekten dat het mogelijk was om de meerderheid van de kristallen aan de boven- of onderkant van de trap te bevestigen”, zei Koperwiek, die experimenteel werk toeschreef dat was uitgevoerd door Haoyue Zhu, postdoctoraal wetenschapper, en Tanushree Choudhury, assistent-onderzoeksprofessor. , in 2DCC-MIP. “Dit zou een manier zijn om het aantal mirror twin-grenzen in de lagen aanzienlijk te verminderen.”

Nadire Nayir, een postdoctoraal wetenschapper begeleid door de vooraanstaande universiteitsprofessor Adri van Duin, leidde onderzoekers in de 2DCC-MIP Theory/Simulation-faciliteit om een ​​theoretisch model te ontwikkelen van de atomaire structuur van het saffieroppervlak om uit te leggen waarom het wolfraamdiselenide aan de boven- of onderkant hechtte rand van de treden. Ze theoretiseerden dat als het oppervlak van de saffier bedekt was met seleniumatomen, ze zich zouden hechten aan de onderkant van de treden; als de saffier slechts gedeeltelijk bedekt is zodat de onderkant van de trede geen seleniumatoom bevat, dan zijn de kristallen aan de bovenkant bevestigd.

Om deze theorie te bevestigen, werkten de Penn State 2DCC-MIP-onderzoekers samen met Krystal York, een afgestudeerde student in de onderzoeksgroep van Steven Durbin, hoogleraar elektrische en computertechniek aan de Western Michigan University. Ze heeft bijgedragen aan het onderzoek als onderdeel van het 2DCC-MIP Resident Scholar Visitor Program. York leerde via MOCVD dunne films van wolfraamdiselenide groeien terwijl ze 2DCC-MIP-faciliteiten gebruikte voor haar promotieonderzoek. Haar experimenten bevestigden dat de methode werkte.

“Tijdens het uitvoeren van deze experimenten merkte Krystal op dat de richting van wolfraamdiselenidedomeinen op saffier veranderde wanneer ze de druk in de MOCVD-reactor varieerde, ” zei Koperwiek. “Deze experimentele waarneming bood verificatie van het theoretische model dat was ontwikkeld om de bevestigingslocatie van wolfraamdiselenidekristallen op trappen op de saffierwafel te verklaren.”

Wolfraamdiselenidemonsters op waferschaal op saffier geproduceerd met behulp van dit nieuwe MOCVD-proces zijn beschikbaar voor onderzoekers buiten Penn State via het gebruikersprogramma 2DCC-MIP.

“Toepassingen zoals kunstmatige intelligentie en het internet der dingen zullen verdere prestatieverbeteringen vereisen, evenals manieren om het energieverbruik van elektronica te verminderen”, aldus Redwing. “Hoogwaardige 2D-halfgeleiders op basis van wolfraamdiselenide en aanverwante materialen zijn belangrijke materialen die een rol zullen spelen in de volgende generatie elektronica.”