鏡、鏡、この中で最も効率的な半導体は誰でしょうか?

09 年 2023 月 XNUMX 日 (Nanowerkニュース) 次世代の 2D 半導体材料は、鏡に映ったものを好みません。 原子レベルで薄いエレクトロニクス用の半導体材料の単層ナノシートを作製する現在の合成アプローチでは、材料をサファイアのような単結晶基板上に堆積させると、特有の「ミラーツイン」欠陥が発生します。 合成されたナノシートには、鏡として機能する粒界が含まれており、各面の原子の配置が互いに反対に反射して組織化されています。 ペンシルベニア州立大学の二次元結晶コンソーシアム材料イノベーションプラットフォーム（2DCC-MIP）の研究者とその協力者らによると、これは問題だという。 電子は境界に達すると散乱し、トランジスタなどのデバイスの性能が低下します。 研究者らによると、これは、次のような用途向けの次世代エレクトロニクスの進歩にとってボトルネックとなっているという。 モノのインターネット および 人工知能。 しかし現在、研究チームはこの欠陥を修正する解決策を考え出したかもしれません。 ペンシルバニア州立大学主導の研究者チームは、サファイア基板上の原子スケールのステップにより、半導体製造中に 2D 材料の結晶配列が可能になることを発見しました。 合成中にこれらの材料を操作すると、欠陥が減少し、電子デバイスの性能が向上する可能性があります。 (画像: ペンシルバニア州ジェニファー・マッキャン) 彼らは自分たちの作品を 自然ナノテクノロジー (「WSeにおける核生成とドメイン配向制御のためのステップエンジニアリング」2 C面サファイア上のエピタキシー」). 筆頭著者で2DCC-MIP所長のジョーン・レッドウィング氏によると、この研究は他の研究者がミラーツインの欠陥を減らすことができるため、半導体研究に大きな影響を与える可能性があり、特にこの分野への注目が高まり、最後に承認されたCHIPSと科学法による資金提供も受けているという。年。 この法案の認可により、半導体技術の国内生産と開発に対する米国の取り組みを促進するための資金やその他のリソースが増加した。 レッドウィング氏によると、厚さわずか原子XNUMX個の二セレン化タングステンの単層シートは、電流の流れを制御し操作するための非常に効果的な原子レベルの薄い半導体となるという。 ナノシートを作製するために、研究者らは有機金属化学気相成長法（MOCVD）を使用する。これは、基板（この場合はサファイアウェーハ）上に極薄の単結晶層を堆積するために使用される半導体製造技術である。 レッドウィング氏によると、MOCVDは他の材料の合成にも使用されているが、2DCC-MIPの研究者らは二セレン化タングステンなどの2D半導体の合成にMOCVDを使用する先駆者となったという。 二セレン化タングステンは、原子 XNUMX 個の厚さの遷移金属ジカルコゲニドと呼ばれる材料のクラスに属し、タングステン金属が非金属セレン化原子の間に挟まれており、高度なエレクトロニクスにとって望ましい半導体特性を示します。 「高度な結晶完成度を備えた単層シートを実現するために、MOCVDによって二セレン化タングステン結晶をウェーハ表面に堆積させる際に、サファイアウェーハをテンプレートとして使用し、ウェーハ表面に二セレン化タングステン結晶を堆積させました」と、材料学の著名な教授でもあるレッドウィング氏は述べた。ペンシルベニア州立大学の科学と工学と電気工学の専攻。 「しかし、二セレン化タングステンの結晶はサファイア基板上で反対方向に整列する可能性があります。 逆向きの結晶のサイズが大きくなるにつれて、最終的にはサファイアの表面で互いに出会い、鏡面双晶境界を形成します。」 この問題を解決し、二セレン化タングステン結晶の大部分をサファイア結晶と一致させるために、研究者らはサファイア表面の「段差」を利用しました。 ウェーハを構成するサファイア単結晶は物理学的に非常に完璧です。 ただし、原子レベルでは完全に平坦ではありません。 表面には原子 XNUMX ～ XNUMX 個分の高さのステップがあり、各ステップの間には平坦な領域があります。 レッドウィング氏によると、ここで研究者らはミラー欠陥の原因と思われる箇所を発見したという。 サファイア結晶表面の段差は、二セレン化タングステン結晶が付着しやすい場所ですが、必ず付着するとは限りません。 段差に付着した場合の結晶の配向はすべて一方向となる傾向がありました。 「結晶をすべて同じ方向に揃えることができれば、層内のミラー双晶欠陥は減少するか、さらには排除されるでしょう」とレッドウィング氏は述べた。 研究者らは、MOCVDプロセス条件を制御することで、ほとんどの結晶をステップでサファイアに付着させることができることを発見した。 そして実験中に、彼らはおまけの発見をしました。結晶が段差の上部に付着すると、結晶は XNUMX つの結晶方向に整列します。 下部に接続すると、反対方向に整列します。 「結晶の大部分を階段の上端または下端のどちらかに付着させることが可能であることがわかりました」とレッドウィング氏は述べ、博士研究員のHaoyue Zhu氏と研究助教授のTanushree Choudhury氏が行った実験作業を評価した。 、2DCC-MIP。 「これにより、層内のミラー ツイン境界の数を大幅に減らす方法が提供されるでしょう。」 著名な大学教授のアドリ・ヴァン・デュイン氏の指導を受けた博士研究員であるナディレ・ナイール氏は、2DCC-MIP理論/シミュレーション施設の研究者を率いて、サファイア表面の原子構造の理論モデルを開発し、二セレン化タングステンが上部または底部に付着した理由を説明しました。階段の端。 彼らは、サファイアの表面がセレン原子で覆われている場合、それらは段差の下端に付着するだろうと理論づけました。 サファイアが部分的にしか覆われておらず、段差の下端にセレン原子が欠けている場合、結晶は上部に付着します。 この理論を確認するために、ペンシルバニア州立大学 2DCC-MIP の研究者らは、西ミシガン大学の電気工学およびコンピュータ工学の教授であるスティーブン ダービンの研究グループの大学院生であるクリスタル ヨークと協力しました。 彼女は、2DCC-MIP レジデント スカラー ビジター プログラムの一環としてこの研究に貢献しました。 ヨークさんは、博士論文の研究のために 2DCC-MIP 施設を使用しながら、MOCVD によって二セレン化タングステン薄膜を成長させる方法を学びました。 彼女の実験は、この方法が機能することを確認するのに役立ちました。 「これらの実験を行っている間、クリスタルは、MOCVD反応器内の圧力を変えると、サファイア上の二セレン化タングステンのドメインの方向が切り替わることを観察しました」とレッドウィング氏は述べた。 「この実験的観察は、サファイアウェーハ上の段差上の二セレン化タングステン結晶の付着位置を説明するために開発された理論モデルの検証を提供しました。」 この新しい MOCVD プロセスを使用して製造されたサファイア上のウェーハ スケールの二セレン化タングステン サンプルは、2DCC-MIP ユーザー プログラムを通じてペンシルベニア州立大学外の研究者に提供されています。 「人工知能やモノのインターネットなどのアプリケーションには、さらなるパフォーマンスの向上と、電子機器のエネルギー消費を削減する方法が必要です」とレッドウィング氏は述べた。

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• 情報源： https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=63482.php