거울아, 거울아, 그중 가장 효율적인 반도체는 누구일까?

플라톤에 의해 재발행

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09년 2023월 XNUMX일(나노 워크 뉴스) 차세대 2D 반도체 재료는 거울에 비친 모습을 좋아하지 않습니다. 원자적으로 얇은 전자 장치를 위한 반도체 재료의 단층 나노시트를 만들기 위한 현재의 합성 접근법은 재료가 사파이어와 같은 단결정 기판에 증착될 때 독특한 "거울 쌍둥이" 결함을 발생시킵니다. 합성된 나노시트는 서로 반대 방향으로 반사된 각 면의 원자 배열과 함께 거울 역할을 하는 입자 경계를 포함합니다. Penn State의 2DCC-MIP(Two-Dimensional Crystal Consortium-Materials Innovation Platform) 연구원과 공동 작업자에 따르면 이것은 문제입니다. 전자가 경계에 도달하면 산란되어 트랜지스터와 같은 장치의 성능이 저하됩니다. 연구원들은 이것이 다음과 같은 애플리케이션을 위한 차세대 전자 장치의 발전에 병목 현상이라고 말했습니다. 사물의 인터넷 및 인공 지능. 하지만 이제 연구팀은 이 결함을 바로잡을 해결책을 내놓았을지도 모릅니다. 사파이어 기판의 원자 규모 단계는 반도체 제조 중 2D 재료의 결정 정렬을 가능하게 합니다.

사파이어 기판의 원자 규모 단계는 반도체 제조 중 2D 재료의 결정 정렬을 가능하게 합니다.

Penn State가 이끄는 연구팀은 사파이어 기판의 원자 규모 단계가 반도체 제조 중에 2D 재료의 결정 정렬을 가능하게 한다는 것을 발견했습니다. 합성 중에 이러한 재료를 조작하면 결함을 줄이고 전자 장치 성능을 향상시킬 수 있습니다. (이미지: Jennifer McCann, Penn State) 자연 나노 기술 ("WSe에서 핵 생성 및 도메인 방향 제어를 위한 단계 엔지니어링2 c면 사파이어에 에피택시”). 2DCC-MIP 책임자인 주 저자 Joan Redwing에 따르면 이 연구는 다른 연구자들이 미러 트윈 결함을 줄일 수 있게 함으로써 반도체 연구에 상당한 영향을 미칠 수 있다고 합니다. 년도. 이 법안의 승인으로 반도체 기술의 생산 및 개발을 국내에서 추진하려는 미국의 노력을 촉진하기 위한 자금 및 기타 자원이 증가했습니다. 단 XNUMX개의 원자 두께인 텅스텐 디셀레나이드의 단층 시트는 매우 효과적이고 원자적으로 얇은 반도체를 만들어 전류 흐름을 제어하고 조작할 수 있다고 Redwing은 말합니다. 나노시트를 만들기 위해 연구원들은 초박형 단결정 층을 기판(이 경우 사파이어 웨이퍼)에 증착하는 데 사용되는 반도체 제조 기술인 금속 유기 화학 기상 증착(MOCVD)을 사용합니다. MOCVD가 다른 물질의 합성에 사용되는 동안, 2DCC-MIP 연구원들은 텅스텐 디셀레나이드와 같은 2D 반도체 합성에 MOCVD의 사용을 개척했다고 Redwing은 말했습니다. 텅스텐 디셀레나이드(Tungsten diselenide)는 비금속 셀레나이드 원자 사이에 샌드위치된 텅스텐 금속과 함께 XNUMX개의 원자 두께를 가진 전이 금속 디칼코게나이드라고 불리는 물질 부류에 속하며 고급 전자 장치에 바람직한 반도체 특성을 나타냅니다. "고도의 결정 완성도를 가진 단층 시트를 얻기 위해 우리는 사파이어 웨이퍼를 템플릿으로 사용하여 MOCVD에 의해 웨이퍼 표면에 증착될 때 텅스텐 이셀레나이드 결정을 정렬했습니다."라고 저명한 재료 교수인 Redwing은 말했습니다. Penn State의 과학 및 공학 및 전기 공학. 그러나 이셀레나이드 텅스텐 결정은 사파이어 기판에서 반대 방향으로 정렬될 수 있습니다. 반대 방향의 결정이 크기가 커짐에 따라 궁극적으로 사파이어 표면에서 서로 만나 거울 쌍경계를 형성합니다.” 이 문제를 해결하고 대부분의 이셀레나이드 텅스텐 결정이 사파이어 결정과 정렬되도록 하기 위해 연구원들은 사파이어 표면의 "계단"을 이용했습니다. 웨이퍼를 구성하는 사파이어 단결정은 물리학적으로 매우 완벽합니다. 그러나 원자 수준에서 완벽하게 평평하지는 않습니다. 표면에는 단순한 원자 또는 각 단계 사이에 평평한 영역이 있는 두 개의 키가 있는 단계가 있습니다. 여기에서 연구자들은 미러 결함의 의심되는 원인을 발견했다고 Redwing은 말했습니다. 사파이어 크리스탈 표면의 단차는 텅스텐 디셀레나이드 크리스탈이 부착되는 경향이 있는 곳이지만 항상 그런 것은 아닙니다. 계단에 부착되었을 때 결정 정렬은 모두 한 방향으로 되는 경향이 있었습니다. "결정이 모두 같은 방향으로 정렬될 수 있다면 레이어의 미러 트윈 결함이 줄어들거나 심지어 제거될 것입니다."라고 Redwing은 말했습니다. 연구원들은 MOCVD 공정 조건을 제어함으로써 대부분의 결정이 단계에서 사파이어에 부착되도록 만들 수 있음을 발견했습니다. 그리고 실험 중에 그들은 보너스 발견을 했습니다. 결정이 계단의 상단에 부착되면 결정학적인 한 방향으로 정렬됩니다. 하단에 부착되면 반대 방향으로 정렬됩니다. Redwing은 박사 후 연구원인 Haoyue Zhu와 연구 조교수인 Tanushree Choudhury가 수행한 실험 작업을 인정하면서 "대부분의 결정을 계단의 상단 또는 하단 가장자리에 부착할 수 있다는 것을 발견했습니다."라고 말했습니다. , 2DCC-MIP에서. "이것은 레이어에서 미러 트윈 경계의 수를 크게 줄이는 방법을 제공할 것입니다." 박사후 연구원인 Nadire Nayir는 저명한 대학교 교수인 Adri van Duin이 지도한 2DCC-MIP 이론/시뮬레이션 시설의 연구원들을 이끌고 사파이어 표면의 원자 구조에 대한 이론적 모델을 개발하여 텅스텐 디셀레나이드가 상단 또는 하단에 부착된 이유를 설명했습니다. 계단 가장자리. 그들은 사파이어의 표면이 셀레늄 원자로 덮여 있으면 계단의 아래쪽 가장자리에 붙을 것이라는 이론을 세웠습니다. 사파이어가 부분적으로만 덮여 계단의 하단 가장자리에 셀레늄 원자가 없으면 결정이 상단에 부착됩니다. 이 이론을 확인하기 위해 Penn State 2DCC-MIP 연구원들은 Western Michigan University의 전기 및 컴퓨터 공학 교수인 Steven Durbin 연구 그룹의 대학원생인 Krystal York과 함께 작업했습니다. 그녀는 2DCC-MIP Resident Scholar Visitor Program의 일환으로 연구에 기여했습니다. York은 박사 논문 연구를 위해 2DCC-MIP 시설을 사용하면서 MOCVD를 통해 텅스텐 디셀렌화물 박막을 성장시키는 방법을 배웠습니다. 그녀의 실험은 그 방법이 효과가 있다는 것을 확인하는 데 도움이 되었습니다. "이러한 실험을 수행하는 동안 Krystal은 MOCVD 반응기의 압력을 변경할 때 사파이어의 이셀렌화 텅스텐 도메인의 방향이 바뀌는 것을 관찰했습니다."라고 Redwing은 말했습니다. "이 실험적 관찰은 사파이어 웨이퍼의 계단에서 이셀레나이드 텅스텐 결정의 부착 위치를 설명하기 위해 개발된 이론적 모델의 검증을 제공했습니다." 이 새로운 MOCVD 프로세스를 사용하여 생산된 사파이어의 웨이퍼 스케일 텅스텐 디셀레나이드 샘플은 2DCC-MIP 사용자 프로그램을 통해 Penn State 외부의 연구원들에게 제공됩니다. "인공 지능 및 사물 인터넷과 같은 응용 프로그램은 전자 장치의 에너지 소비를 줄이는 방법뿐만 아니라 추가 성능 개선을 요구할 것입니다."라고 Redwing은 말했습니다.