Mirror, Mirror, Who Is The Most Efficient Semiconductor Of Them All?

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09 年 2023 月 XNUMX 日 (Nanowerk新闻）下一代二维半导体材料并不像照镜子时看到的那样。当前用于制造用于原子级薄电子产品的单层半导体材料纳米片的合成方法，当材料沉积在蓝宝石等单晶基底上时，会产生一种特殊的“镜像孪生”缺陷。合成的纳米片包含充当镜子的晶界，每一侧的原子排列以彼此相反的反射方式组织。宾夕法尼亚州立大学二维晶体联盟材料创新平台 (2DCC-MIP) 及其合作者的研究人员表示，这是一个问题。电子撞击边界时会发生散射，从而降低晶体管等设备的性能。研究人员表示，这是下一代电子产品发展的瓶颈，例如物联网和人工智能。但现在，研究团队可能已经想出了一个解决方案来纠正这个缺陷。蓝宝石衬底上的原子级台阶可在半导体制造过程中实现二维材料的晶体排列

宾夕法尼亚州立大学领导的研究小组发现，蓝宝石基板上的原子级台阶可以在半导体制造过程中实现二维材料的晶体排列。在合成过程中对这些材料进行处理可以减少缺陷并提高电子器件的性能。（图片：Jennifer McCann，宾夕法尼亚州立大学）他们在 自然纳米技术 (“WSe 中成核和域取向控制的步进工程2 c面蓝宝石外延”). 主要作者、2DCC-MIP 主任 Joan Redwing 表示，这项研究可能会对半导体研究产生重大影响，因为它使其他研究人员能够减少镜面孪生缺陷，特别是在该领域受到了更多关注以及去年批准的《芯片和科学法案》提供的资金的情况下。年。该立法的授权增加了资金和其他资源，以促进美国在国内生产和开发半导体技术的努力。 Redwing 表示，单层二硒化钨片（只有三个原子厚）将成为一种高效、原子级薄的半导体，可以控制和操纵电流。为了制造纳米片，研究人员使用金属有机化学气相沉积（MOCVD），这是一种半导体制造技术，用于将超薄单晶层沉积到基板上，在本例中是蓝宝石晶圆。 Redwing 表示，虽然 MOCVD 用于合成其他材料，但 2DCC-MIP 研究人员率先将其用于合成二硒化钨等二维半导体。二硒化钨属于一类称为过渡金属二硫属化物的材料，其厚度为三个原子，金属钨夹在非金属硒化物原子之间，表现出先进电子学所需的半导体特性。 “为了实现高度结晶完美的单层片材，我们使用蓝宝石晶圆作为模板，在通过 MOCVD 沉积在晶圆表面上时对准二硒化钨晶体，”同时也是材料学杰出教授的 Redwing 说道宾夕法尼亚州立大学的科学与工程和电气工程。 “然而，二硒化钨晶体可以在蓝宝石基板上以相反的方向排列。随着相反取向的晶体尺寸变大，它们最终在蓝宝石表面相遇，形成镜面孪晶边界。” 为了解决这个问题并使大部分二硒化钨晶体与蓝宝石晶体对齐，研究人员利用了蓝宝石表面上的“台阶”。构成晶圆的蓝宝石单晶在物理方面非常完美；然而，它在原子水平上并不完全平坦。表面上有一些只有一两个原子高的台阶，每个台阶之间有平坦的区域。雷德温说，研究人员在这里找到了镜子缺陷的可疑来源。蓝宝石水晶表面上的台阶是二硒化钨晶体容易附着的地方，但并非总是如此。当附着在台阶上时，晶体排列倾向于全向一个方向。 Redwing 说：“如果晶体能够全部沿同一方向排列，那么层中的镜面孪生缺陷将会减少甚至消除。” 研究人员发现，通过控制 MOCVD 工艺条件，大部分晶体可以在台阶处附着在蓝宝石上。在实验过程中，他们有了一个额外的发现：如果晶体附着在台阶的顶部，它们就会沿一个晶体方向排列；如果晶体附着在台阶的顶部，它们就会沿一个晶体方向排列；如果晶体附着在台阶的顶部，它们就会沿一个晶体方向排列。如果它们连接在底部，它们会沿相反的方向对齐。 Redwing 说：“我们发现大部分晶体都可以附着在台阶的顶部或底部边缘。”这归功于博士后学者朱浩跃和助理研究教授 Tanushree Choudhury 所做的实验工作。，在 2DCC-MIP 中。 “这将提供一种显着减少层中镜像孪生边界数量的方法。” 杰出大学教授 Adri van Duin 指导的博士后学者 Nadire Nayir 带领 2DCC-MIP 理论/模拟设施的研究人员开发了蓝宝石表面原子结构的理论模型，以解释为什么二硒化钨附着在顶部或底部台阶的边缘。他们推测，如果蓝宝石的表面覆盖有硒原子，那么它们就会附着在台阶的底部边缘；如果蓝宝石仅被部分覆盖，使得台阶的底部边缘缺少硒原子，则晶体附着在顶部。为了证实这一理论，宾夕法尼亚州立大学 2DCC-MIP 研究人员与西密歇根大学电气与计算机工程教授 Steven Durbin 研究小组的研究生 Krystal York 合作。作为 2DCC-MIP 常驻学者访问计划的一部分，她为这项研究做出了贡献。 York 在她的博士论文研究中使用 2DCC-MIP 设备时学会了如何通过 MOCVD 生长二硒化钨薄膜。她的实验帮助证实了该方法的有效性。 “在进行这些实验时，Krystal 观察到，当她改变 MOCVD 反应器中的压力时，蓝宝石上二硒化钨区域的方向发生了变化，”Redwing 说。 “这项实验观察验证了理论模型，该模型是为了解释二硒化钨晶体在蓝宝石晶圆上台阶上的附着位置而开发的。” 宾夕法尼亚州立大学以外的研究人员可以通过 2DCC-MIP 用户程序获得使用这种新型 MOCVD 工艺生产的蓝宝石上的晶圆级二硒化钨样品。 Redwing 表示：“人工智能和物联网等应用将需要进一步提高性能以及降低电子产品能耗的方法。”