Silicium mengen met 2D-materialen voor nieuwe energiezuinige halfgeleidertechnologie

Nano-elektronica heeft te maken met extreem kleine elektronische componenten: transistors, sensoren en circuits die op de punt van een naald passen. Deze technologie stuurt ons dagelijks leven aan via apparaten zoals computers, smartphones en medische hulpmiddelen.

Om de efficiëntie (en het vermogen) van deze apparaten te verbeteren, zoeken wetenschappers naar alternatieve materialen ter vervanging van standaard op silicium gebaseerde halfgeleiders.

Een door de Universiteit van Buffalo geleid onderzoek, gepubliceerd in het journaal ACS Nanoonderzoekt hoe het mengen van tweedimensionale materialen met silicium dit doel zou kunnen bereiken. Het artikel suggereert een betere manier om elektrische ladingen te injecteren en te transporteren – een vooruitgang die het aanzienlijke potentieel van 2D-materialen laat zien bij het bevorderen van toekomstige halfgeleidertechnologieën.

“Ons werk onderzoekt hoe opkomende 2D-materialen kunnen worden geïntegreerd met bestaande siliciumtechnologie om de functionaliteit te verbeteren en de prestaties te verbeteren, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor energie-efficiënte nano-elektronica”, zegt de hoofdauteur van het onderzoek, Huamin Li, Ph.D., universitair hoofddocent bij de afdeling. van Elektrotechniek.

“Complexere apparaten, zoals transistors met drie aansluitingen, kunnen profiteren van onze ontdekking, waardoor verbeterde functionaliteit en prestaties worden bereikt.”

Fei Yao, Ph.D., assistent-professor bij de afdeling Materials Design and Innovation, is co-hoofdauteur van het onderzoek.

“Als wetenschappers willen we de componenten kleiner maken, zodat ze meer werk kunnen doen in minder ruimte”, zei ze. “Dit zal ons in staat stellen geavanceerde technologie te creëren die krachtiger en compacter is.”

Li en Yao werkten samen met co-auteur Vasili Perebeinos, Ph.D., professor aan de afdeling Elektrotechniek. Alle drie zijn ze lid van UB’s Center for Advanced Semiconductor Technologies, een interdisciplinair onderzoekscentrum dat baanbrekende micro-elektronica-oplossingen ontwikkelt en tegelijkertijd de volgende generatie leiders voor de halfgeleiderindustrie opleidt.

Andere co-auteurs van het onderzoek, van wie velen experts zijn op het gebied van 2D-materialen, natuurkunde en nano-elektronica, werken in China, Korea, Oostenrijk en Italië.

“Deze samenwerking onderstreept het leiderschap van UB op het gebied van baanbrekend halfgeleideronderzoek en haar vermogen om impactvolle internationale en interdisciplinaire partnerschappen te bevorderen”, aldus Yao.

In de studie toonde het team aan dat het gebruik van dunne 2D-materialen, zoals de halfgeleider molybdeendisulfide (MoS₂), in combinatie met silicium, kan zeer efficiënte elektronische apparaten creëren met uitstekende controle over hoe een elektrische lading wordt geïnjecteerd en getransporteerd. De aanwezigheid van het 2D-materiaal tussen het metaal en het silicium, ondanks de MoS₂ minder dan één nanometer dik zijn, kan de manier waarop de huidige elektrische lading stroomt veranderen.

“Het 2D-materiaal heeft vooral invloed op de ladingsinjectie of hoe de lading het materiaal binnenkomt, maar heeft niet echt invloed op de ladingsverzameling, of hoe de lading het materiaal verlaat”, zei Li.

“Dit gebeurt ongeacht de specifieke eigenschappen van het 2D-materiaal. Dus of je nu halfgeleidende MoS gebruikt₂semi-metaalgrafeen of isolator h-BN [hexagonal boron nitride]ze kunnen verschillende rollen spelen bij de ladingsinjectie, maar ze gedragen zich allemaal op dezelfde manier als het gaat om de ladingsinning. In wezen gedraagt ​​het 2D-materiaal zich in deze speciale toestand bijna alsof het onzichtbaar is of geen weerstand heeft bij het verzamelen van lading.”

Hoewel de integratie van 2D-materialen met silicium een ​​veelbelovend pad is voor de volgende generatie elektronica, blijven er volgens Li nog aanzienlijke uitdagingen bestaan, vooral op het gebied van het begrijpen en ontwikkelen van ladingstransport waar het 2D-materiaal het 3D-materiaal ontmoet.

“Onze studie biedt kritische inzichten in de energiebandstructuur en ladingstransportmechanismen op de 2D/3D-interface, vooral wanneer 2D-materialen worden verkleind tot monolagen”, zei hij. “In de loop van de tijd zou dit onderzoek de ontwikkeling van nieuwe 2D-materialen en apparaatconcepten kunnen inspireren, wat uiteindelijk zou kunnen leiden tot efficiëntere en krachtigere elektronische apparaten voor dagelijks gebruik.”