Watervrije productiemethode kan 2D-elektronica-integratie bevorderen

De toekomst van technologie heeft een eeuwenoud probleem: roest. Wanneer ijzerhoudend metaal reageert met zuurstof en vocht, belemmert de resulterende corrosie de levensduur en het gebruik van onderdelen in de auto-industrie enorm.

Hoewel het in de halfgeleiderindustrie niet als “roest” wordt aangeduid, is oxidatie vooral problematisch in tweedimensionale (2D) halfgeleidermaterialen, die de elektriciteitsstroom in elektronische apparaten regelen. Corrosie kan het atoomdunne materiaal namelijk onbruikbaar maken.

Nu heeft een team van academici en onderzoekers uit het bedrijfsleven een syntheseproces ontwikkeld om een ​​”roestbestendige” coating te produceren met extra eigenschappen die ideaal zijn voor het maken van snellere, duurzamere elektronica.

Het team, dat mede geleid wordt door onderzoekers van Penn State, gepubliceerd hun werk in Natuurcommunicatie.

2D-materialen zijn ultradun, slechts één of een paar atomen dik. Ze zijn veelbelovend voor geavanceerde halfgeleiders omdat hun dunheid een korter en directer pad biedt voor elektronen om snel en met minder weerstand door het materiaal te bewegen. Dit zorgt op zijn beurt voor snellere en efficiëntere elektronische prestaties.

Halfgeleiders zijn materialen die onder bepaalde omstandigheden elektriciteit geleiden, maar onder andere niet, waardoor ze ideaal zijn voor het regelen van elektrische stromen in elektronische apparaten. Elektronische apparaten, de “hersenen” van computerchips, worden van deze materialen gemaakt.

“Een van de grootste problemen die we momenteel tegenkomen bij 2D-halfgeleideronderzoek, is het feit dat de materialen snel oxideren”, aldus Joshua Robinson, hoogleraar materiaalkunde en -techniek en medeauteur van het werk.

“Je moet hun betrouwbaarheid op de lange termijn garanderen, want deze worden gebruikt in transistors of sensoren die jaren mee moeten gaan. Op dit moment gaan deze materialen niet langer dan een week mee in de open lucht.”

Traditionele methoden om deze materialen te beschermen tegen roesten omvatten oxide-gebaseerde coatings, maar deze processen gebruiken vaak water, wat ironisch genoeg juist de oxidatie kan versnellen die ze proberen te voorkomen. De aanpak van het team voor dit probleem was om een ​​coatingmateriaal en -methode te zoeken die het gebruik van water volledig konden vermijden. Maak kennis met amorf boornitride (a-BN).

“We wilden geen water meer gebruiken in het proces, dus gingen we nadenken over wat voor 2D-materialen we konden maken die geen water nodig hebben bij de verwerking. Amorf boornitride is daar één van”, aldus Robinson.

a-BN is een niet-kristallijne vorm van boornitride en staat bekend om zijn hoge thermische stabiliteit en elektrische isolatie-eigenschappen. Hierdoor is het ideaal voor gebruik in halfgeleiders om componenten te isoleren, ongewenste elektrische stromen te voorkomen en de prestaties van apparaten te verbeteren, aldus Robinson.

Hij legde uit dat a-BN a een hoge diëlektrische sterkte heeft, een meting die aangeeft in hoeverre het materiaal hoge elektrische velden kan weerstaan ​​zonder kapot te gaan. Dit is een cruciale factor voor betrouwbare elektronische prestaties.

“De hoge diëlektrische sterkte die a-BN laat zien is vergelijkbaar met de beste diëlektrica die beschikbaar zijn, en we hebben geen water nodig om het te maken,” zei Robinson. “Wat we in het artikel lieten zien was dat het toevoegen van amorfe boornitride verbeterde apparaatprestaties oplevert vergeleken met conventionele diëlektrica alleen.”

Hoewel de coating hielp om een ​​betere 2D-transistor te produceren, bleek het een uitdaging om de coating op de 2D-materialen te krijgen, aldus Robinson. Tweedimensionale materialen hebben geen bungelende bindingen, wat ongepaarde elektronen op het oppervlak van een materiaal zijn die reageren of binden met andere atomen.

Een standaardproces in één stap waarbij hogere temperaturen worden gebruikt om de materialen te coaten, resulteerde in ongelijkmatige en discontinue coatings, die ver onder de kwaliteit liggen die elektronica nodig heeft om goed te functioneren.

Om 2D-materialen gelijkmatig met het a-BN te coaten, ontwikkelde het team een ​​nieuwe tweestapsmethode voor atomaire laagdepositie. Hierbij wordt eerst een dunne a-BN-‘kiemlaag’ op lage temperatuur afgezet, waarna de kamer wordt verwarmd tot typische depositietemperaturen tussen 250 en 300 °C.

Hierdoor konden de onderzoekers niet alleen een gelijkmatige a-BN-coating over de 2D-halfgeleiders aanbrengen, maar het leidde ook tot een verbetering van 30% tot 100% (afhankelijk van het ontwerp van de transistor) in de prestaties van de transistor in vergelijking met apparaten die geen gebruik maakten van a-BN.

“Wanneer je 2D-halfgeleiders tussen het amorfe boornitride plaatst, zelfs al is het amorf, krijg je een gladdere elektronische weg, om het zo maar te zeggen, wat verbeterde elektronica mogelijk zou maken,” zei Robinson. “De elektronen kunnen sneller door het 2D-materiaal gaan dan wanneer ze tussen andere diëlektrische materialen zouden zitten.”

Robinson merkte op dat onderzoekers, ondanks de hoge diëlektrische sterkte van a-BN, nog maar aan het begin staan ​​van het potentieel van a-BN als diëlektrisch materiaal voor halfgeleiderapparaten.

“We hebben ruimte voor verbetering, ook al presteert het al beter dan andere diëlektrische materialen,” zei Robinson. “Het belangrijkste wat we nu proberen te doen, is de algehele kwaliteit van het materiaal verbeteren en het vervolgens integreren in een aantal complexe structuren die je in toekomstige elektronica zou zien.”