Wetenschappers en ingenieurs van UCLA hebben een nieuw proces ontwikkeld voor het assembleren van halfgeleiderapparaten. De opmars zou kunnen leiden tot veel energiezuinigere transistors voor elektronica en computerchips, diodes voor zonnecellen en lichtemitterende diodes, en andere op halfgeleiders gebaseerde apparaten.

Een paper over het onderzoek is gepubliceerd in Natuur . De studie werd geleid door Xiangfeng Duan, hoogleraar scheikunde en biochemie aan het UCLA College, en Yu Huang, hoogleraar materiaalkunde en techniek aan de UCLA Samueli School of Engineering. De hoofdauteur is Yuan Liu, een UCLA postdoctoraal onderzoeker.

Hun methode verbindt een halfgeleiderlaag en een metalen elektrodelaag zonder de atomaire defecten die typisch optreden wanneer andere processen worden gebruikt om op halfgeleiders gebaseerde apparaten te bouwen. Ook al zijn die gebreken minuscuul, ze kunnen elektronen vangen die tussen de halfgeleider en de aangrenzende metalen elektroden reizen, waardoor de apparaten minder efficiënt zijn dan ze zouden kunnen zijn. De elektroden in op halfgeleiders gebaseerde apparaten zorgen ervoor dat elektronen van en naar de halfgeleider kunnen reizen; de elektronen kunnen computerinformatie of energie dragen om een ​​apparaat van stroom te voorzien.

Over het algemeen, metalen elektroden in halfgeleiderapparaten worden gebouwd met behulp van een proces dat fysieke dampafzetting wordt genoemd. In dit proces, metalen materialen worden verdampt tot atomen of atomaire clusters die vervolgens condenseren op de halfgeleider, die silicium of een ander soortgelijk materiaal kan zijn. De metaalatomen kleven aan de halfgeleider door sterke chemische bindingen, uiteindelijk vormt zich een dunne film van elektroden bovenop de halfgeleider.

Een probleem met dat proces is dat de metaalatomen meestal een andere grootte of vorm hebben dan de atomen in de halfgeleidermaterialen waaraan ze hechten. Als resultaat, de lagen kunnen geen perfecte één-op-één atomaire verbindingen vormen, daarom ontstaan ​​er kleine hiaten of defecten.

"Het is alsof je een laag Lego-merkblokken probeert te plaatsen op die van een merk van een concurrent, " zei Huang. "Je kunt de twee verschillende blokken samendrukken, maar de pasvorm zal niet perfect zijn. Met halfgeleiders, die onvolmaakte chemische bindingen leiden tot gaten waar de twee lagen samenkomen, en die gaten kunnen zich uitbreiden als defecten buiten de interface en in de materialen."

Die defecten vangen elektronen op die eroverheen reizen, en de elektronen hebben extra energie nodig om door die plekken te komen.

De UCLA-methode voorkomt de vorming van defecten, door een dunne metalen plaat bovenop de halfgeleiderlaag te verbinden door middel van een eenvoudig lamineerproces. En in plaats van chemische bindingen te gebruiken om de twee componenten bij elkaar te houden, de nieuwe procedure maakt gebruik van van der Waals-krachten - zwakke elektrostatische verbindingen die worden geactiveerd wanneer atomen heel dicht bij elkaar staan ​​- om de moleculen aan elkaar "vastgemaakt" te houden. Van der Waals-krachten zijn zwakker dan chemische bindingen, maar ze zijn sterk genoeg om de materialen bij elkaar te houden omdat ze zo dun zijn:elke laag is ongeveer 10 nanometer dik of minder.

"Ook al zijn ze verschillend in hun geometrie, de twee lagen sluiten naadloos op elkaar aan en blijven op hun plaats dankzij de van der Waals-krachten, ' zei Huang.

Het onderzoek is ook het eerste werk dat een wetenschappelijke theorie bevestigt die in de jaren dertig is ontstaan. De Schottky-Mott-regel stelde de minimale hoeveelheid energie-elektronen voor die onder ideale omstandigheden tussen metaal en een halfgeleider moeten reizen.

Met behulp van de theorie, ingenieurs zouden in staat moeten zijn om het metaal te selecteren waarmee elektronen met de kleinste hoeveelheid energie over de overgang tussen metaal en halfgeleider kunnen bewegen. Maar vanwege die kleine defecten die altijd zijn opgetreden tijdens de productie, halfgeleiderapparaten hebben altijd elektronen nodig gehad met meer energie dan het theoretische minimum.

Het UCLA-team is de eerste die de theorie verifieert in experimenten met verschillende combinaties van metalen en halfgeleiders. Omdat de elektronen niet de gebruikelijke defecten hoefden te overwinnen, ze konden reizen met de minimale hoeveelheid energie voorspeld door de Schottky-Mott-regel.

"Onze studie valideert voor het eerst deze fundamentele limieten van metaal-halfgeleiderinterfaces, " Zei Duan. "Het toont een nieuwe manier om metalen op andere oppervlakken te integreren zonder defecten te introduceren. Breed, dit kan worden toegepast op de fabricage van elk delicaat materiaal met interfaces die voorheen werden geplaagd door defecten."

Bijvoorbeeld, naast elektrodecontacten op halfgeleiders, het zou kunnen worden gebruikt om ultra-energie-efficiënte elektronische componenten op nanoschaal te assembleren, of opto-elektronische apparaten zoals zonnecellen.

De andere UCLA-auteurs van het papier zijn afgestudeerde studenten Jian Guo, Enbo Zhu en Sung-Joon Lee, en postdoctoraal wetenschapper Mengning Ding. Onderzoekers van de Hunan Universiteit, China; King Saud Universiteit, Saudi Arabie; en Northrop Grumman Corporation hebben ook bijgedragen aan het onderzoek.

De studie bouwt voort op bijna tien jaar werk van Duan en Huang over het gebruik van Van der Waals-krachten om materialen te integreren. Een onderzoek dat zij leidden, gepubliceerd in Natuur in maart 2018, beschreef hun gebruik van van der Waals-krachten om een ​​nieuwe klasse van 2D-materialen te creëren die monolaag-atomaire kristalmoleculaire superroosters worden genoemd. In een eerdere studie, die werd gepubliceerd in Natuur in 2010, ze beschreven hun gebruik van van der Waals-krachten om high-speed transistors te bouwen met behulp van grafeen.