萊斯大學(xué)的一個材料科學(xué)家團(tuán)隊開發(fā)了一種將超薄半導(dǎo)體直接生長到電子元件上的新方法。

發(fā)表在《ACS Applied Electronic Materials》上的一項研究中描述了該方法，可以幫助簡化二維材料與下一代電子、神經(jīng)形態(tài)計算和其他需要超薄高速半導(dǎo)體的技術(shù)的集成。

研究人員使用化學(xué)氣相沉積 （CVD） 將二硒化鎢（一種二維半導(dǎo)體）直接生長到圖案化金電極上。接下來，他們通過構(gòu)建一個功能性、概念驗證的晶體管來演示這種方法。與需要將易碎的 2D 薄膜從一個表面轉(zhuǎn)移到另一個表面的傳統(tǒng)技術(shù)不同，Rice 團(tuán)隊的方法完全消除了轉(zhuǎn)移過程。

“這是首次展示一種無轉(zhuǎn)移方法來種植 2D 設(shè)備，”萊斯大學(xué)博士生、該研究的第一作者薩特維克·阿賈伊·艾揚格 （Sathvik Ajay Iyengar） 與萊斯大學(xué)博士校友盧卡斯·薩西 （Lucas Sassi） 一起說。“這是朝著降低加工溫度和實現(xiàn)無轉(zhuǎn)移的二維半導(dǎo)體集成工藝邁出的堅實一步?！?/p>

這一發(fā)現(xiàn)始于一次例行實驗中的一次意外觀察。

“我們從一位合作者那里收到了一個樣本，上面有金色標(biāo)記，”薩西說?！霸贑VD生長過程中，2D材料意外地主要在金表面形成。這一令人驚訝的結(jié)果激發(fā)了這樣一個想法，即通過故意對金屬觸點進(jìn)行圖案化，我們也許能夠直接引導(dǎo)二維半導(dǎo)體在金屬觸點上的生長。

半導(dǎo)體是現(xiàn)代計算的基礎(chǔ)，隨著行業(yè)競相向更小、更快、更高效的組件，集成二硒化鎢等更高性能、原子級薄的材料日益成為優(yōu)先事項。

傳統(tǒng)的器件制造需要單獨生長二維半導(dǎo)體，通常是在非常高的溫度下，然后使用一系列步驟進(jìn)行轉(zhuǎn)移。雖然二維材料有望在某些指標(biāo)上優(yōu)于硅，但事實證明，將其實驗室規(guī)模的承諾轉(zhuǎn)化為行業(yè)相關(guān)應(yīng)用已經(jīng)很困難——這在很大程度上是由于材料在轉(zhuǎn)移過程中的脆弱性。

“轉(zhuǎn)移過程會降低材料的性能并損害其性能，”萊斯大學(xué) Pulickel Ajayan 研究小組的成員艾揚格說。

Rice 團(tuán)隊優(yōu)化了前體材料以降低 2D 半導(dǎo)體的合成溫度，并表明它以受控的定向方式生長。

“了解這些二維半導(dǎo)體如何與金屬相互作用，尤其是在原位生長時，對于未來的設(shè)備制造和可擴展性非常有價值，”萊斯大學(xué)本杰明·M·安德森和瑪麗·格林伍德·安德森工程學(xué)教授兼材料科學(xué)和納米工程教授阿賈揚說。

該團(tuán)隊使用先進(jìn)的成像和化學(xué)分析工具，證實該方法保持了金屬觸點的完整性，而金屬觸點在高溫下很容易損壞。

“我們在這個項目中的很多工作都集中在證明材料系統(tǒng)仍然完好無損，”艾揚格說?！拔覀冊谌R斯大學(xué)裝備精良，可以對這一過程中發(fā)生的化學(xué)進(jìn)行非常精細(xì)的研究?？吹竭@些材料之間的界面發(fā)生了什么是研究的一個巨大動力。

Sassi 指出，該方法的成功在于金屬和二維材料在生長過程中的強烈相互作用。

“缺乏可靠、無轉(zhuǎn)移的二維半導(dǎo)體生長方法一直是將其集成到實際電子產(chǎn)品中的主要障礙，”他說?！斑@項工作可能會為在下一代晶體管、太陽能電池和其他電子技術(shù)中使用原子薄材料帶來新的機會?！?br/>除了制造過程中
的挑戰(zhàn)外，二維半導(dǎo)體設(shè)計的另一個關(guān)鍵障礙是電觸點的質(zhì)量，這不僅需要低能量障礙，還需要穩(wěn)定持久的性能、可擴展性和與各種材料的兼容性。

“原位生長方法使我們能夠結(jié)合多種策略來同時提高接觸質(zhì)量，”該研究的共同通訊作者、萊斯大學(xué)前研究科學(xué)家阿南德·普蒂拉特 （Anand Puthirath） 說。

該項目是由美印研究計劃中提出的一個問題引發(fā)的：能否在有限的預(yù)算內(nèi)開發(fā) 2D 材料的半導(dǎo)體制造工藝？

“這始于我們與印度合作伙伴的合作，”艾揚格說，他是日本科學(xué)振興會的會員，也是四方獎學(xué)金的首屆獲得者，該計劃由美國、印度、澳大利亞和日本政府發(fā)起，旨在支持早期職業(yè)科學(xué)家探索科學(xué)、政策和外交如何在全球舞臺上交叉?！八故玖藝H伙伴關(guān)系如何幫助識別實際限制并激發(fā)在全球研究環(huán)境中發(fā)揮作用的新方法?！?br/>
艾揚格與四方獎學(xué)金隊列中的幾位同行共同撰寫了一篇文章，倡導(dǎo)“在 STEM 和外交交叉領(lǐng)域需要專業(yè)知識”。
艾揚格說
：“科學(xué)家和政策制定者之間加強接觸對于確保科學(xué)進(jìn)步轉(zhuǎn)化為造福整個社會的可行政策至關(guān)重要?！安牧峡茖W(xué)是國際合作可能被證明是無價的研究領(lǐng)域之一，特別是考慮到關(guān)鍵礦物供應(yīng)有限和供應(yīng)鏈中斷等限制?！?br/>