Specchio, specchio, chi è il semiconduttore più efficiente di tutti?

Un team di ricercatori guidati dalla Penn State ha scoperto che i passaggi su scala atomica sui substrati di zaffiro consentono l’allineamento dei cristalli dei materiali 2D durante la fabbricazione dei semiconduttori. La manipolazione di questi materiali durante la sintesi può ridurre i difetti e migliorare le prestazioni dei dispositivi elettronici. Credito: Jennifer McCann/Penn State / Penn State. Tutti i diritti riservati.

3 agosto 2023

Di Jamie Oberdick

UNVERSITY PARK, Pennsylvania — Alla prossima generazione di materiali semiconduttori 2D non piace ciò che vede quando si guarda allo specchio. Gli attuali approcci di sintesi per realizzare nanofogli monostrato di materiale semiconduttore per l’elettronica atomicamente sottile sviluppano un peculiare difetto “mirror twin” quando il materiale viene depositato su substrati monocristallini come lo zaffiro. Il nanofoglio sintetizzato contiene bordi granulari che agiscono come uno specchio, con la disposizione degli atomi su ciascun lato organizzati in opposizione riflessa l'uno rispetto all'altro.

Questo è un problema, secondo i ricercatori del Two-Dimensional Crystal Consortium-Materials Innovation Platform (2DCC-MIP) della Penn State e i loro collaboratori. Gli elettroni si disperdono quando colpiscono il confine, riducendo le prestazioni di dispositivi come i transistor. Questo è un collo di bottiglia, hanno detto i ricercatori, per il progresso dell’elettronica di prossima generazione per applicazioni come l’Internet delle cose e l’intelligenza artificiale. Ma ora il gruppo di ricerca potrebbe aver trovato una soluzione per correggere questo difetto. Hanno pubblicato il loro lavoro su Nature Nanotechnology.

Questo studio potrebbe avere un impatto significativo sulla ricerca sui semiconduttori consentendo ad altri ricercatori di ridurre i difetti del gemello specchio, secondo l'autrice principale Joan Redwing, direttrice del 2DCC-MIP, soprattutto perché il campo ha aumentato l'attenzione e i finanziamenti da parte del CHIPS e del Science Act approvati lo scorso anno. L'autorizzazione della legislazione ha aumentato i finanziamenti e altre risorse per potenziare gli sforzi dell'America per la produzione e lo sviluppo onshore della tecnologia dei semiconduttori.

Secondo Redwing, un foglio a strato singolo di diseleniuro di tungsteno, spesso solo tre atomi, costituirebbe un semiconduttore altamente efficace e atomicamente sottile per controllare e manipolare il flusso di corrente elettrica. Per realizzare il nanofoglio, i ricercatori utilizzano la deposizione chimica in fase vapore organica metallica (MOCVD), una tecnologia di produzione di semiconduttori utilizzata per depositare strati monocristallini ultrasottili su un substrato, in questo caso un wafer di zaffiro.

Mentre il MOCVD viene utilizzato nella sintesi di altri materiali, i ricercatori del 2DCC-MIP sono stati pionieri nel suo utilizzo per la sintesi di semiconduttori 2D come il diseleniuro di tungsteno, ha affermato Redwing. Il diseleniuro di tungsteno appartiene a una classe di materiali chiamati dichalcogenuri di metalli di transizione che hanno uno spessore di tre atomi, con il metallo di tungsteno inserito tra atomi di seleniuro non metallici, che manifesta proprietà semiconduttrici desiderabili per l'elettronica avanzata.

"Per ottenere fogli a strato singolo con un elevato grado di perfezione cristallina, abbiamo utilizzato wafer di zaffiro come modello per allineare i cristalli di diseleniuro di tungsteno mentre si depositano mediante MOCVD sulla superficie del wafer", ha affermato Redwing, che è anche un illustre professore di materiali scienza e ingegneria e di ingegneria elettrica alla Penn State. “Tuttavia, i cristalli di diseleniuro di tungsteno possono allinearsi in direzioni opposte sul substrato di zaffiro. Man mano che i cristalli orientati in modo opposto crescono di dimensioni, alla fine si incontrano sulla superficie dello zaffiro per formare il confine gemello dello specchio.

Per risolvere questo problema e allineare la maggior parte dei cristalli di diseleniuro di tungsteno con i cristalli di zaffiro, i ricercatori hanno sfruttato i “gradini” sulla superficie dello zaffiro. Il monocristallo di zaffiro che compone il wafer è altamente perfetto in termini fisici; tuttavia, non è perfettamente piatto a livello atomico. Ci sono gradini sulla superficie alti solo un atomo o due con aree piatte tra ogni gradino.

Qui, ha detto Redwing, i ricercatori hanno trovato la sospetta fonte del difetto dello specchio.