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科学家开发出超洁净且无损的二维半导体制造

2019.07.15 来源: 浏览:2次

科学家开发出超洁净且无损的二维半导体制造工艺

20世纪中叶以来,作为晶体管、微处理器、激光器与LED的基本组成部分,半导体已经驱动了计算、存储、通信和照明技术的进展。近来发现的二维材料,具有许多卓越的特性

科学家开发出超洁净且无损的二维半导体制造

,有望推进这些技术。近日,美国哥伦比亚大学工程学院的研究人员报告称,他们通过开发一个完全洁净且无损的制造工艺,演示了由二维材料堆叠(仅有两个原子厚度的半导体层)而成的近乎完美的晶体管。他们的方法所展示的大幅改善的性能,与传统工艺制造的二维半导体相比有大幅提升,并且为未来创造超洁净的器件提供了一个可扩展的平台。这项研究的成果于5月17日发表在《自然电子学(Nature Electronics)》期刊上。

电气工程系助理教授詹姆斯·底黑拉尼(James Teherani)表示:“用二维材料制造器件是一个脏乱的事情。器件每次运转得差异很大,而且经常退化得非常快,以至于你还在测量它们的时候就会看到性能衰退。”

底黑拉尼的团队已经对于反复不定的结果感到厌烦,他们计划开发一种更好的方法来制造稳定的器件。他解释道:“所以,我们决定将洁净的器件与肮脏的制造工艺分离开来,这种肮脏的制造工艺会导致反复不定。”

正如这项新研究中所展示的,底黑拉尼及其同事们开发了一种两步、超洁净的纳米制造工艺。该工艺可以将“肮脏”的制造步骤(那些步骤包括“肮脏”的金属化、化学物质以及用于形成器件电气连接的聚合物)与活性半导体层分离开来。一旦完成“肮脏”的制造工艺,他们就可以捡起触点,并将它们转移到洁净的活性器件层上,并保持两层的完整性。

底黑拉尼表示:“这些半导体很薄,既是一个好消息也是一个坏消息。薄使之变得透明,可以被捡起,并安放到你想要的地方;但是,薄也意味着几乎零体积,器件几乎就是整个表面。因此,任何表面的污垢或污染都将真正地消弱器件的性能。”

目前,大多数器件没有封装可保护表面的一层,而且在制造期间会与污染物接触。底黑拉尼团队的演示表明,他们的方法现在不仅可以保护半导体层,使得他们随着时间推移不会看到性能衰退,而且也可以生产出高性能的器件。

底黑拉尼与机械工程系教授吉姆·霍恩(Jim Hone)合作,使用了哥伦比亚大学纳米倡议和国家科学基金资助的哥伦比亚大学材料研究科学与工程中心的制造与分析设施。团队通过在手套箱外部嵌入绝缘六方氮化硼(h-BN)中的金属制成了可转移的触点,然后将接触层干式转移到二维半导体上,这些二维半导体被洁净地保存在氮气手套箱内。这种工艺防止了直接金属化带来的损伤,并同时提供封装层来保护器件。

一个Hall-bar器件结构(见插图)通过引线键合在16个引脚的芯片载体上。芯片载体可在低温以及高磁场条件下,对器件的电气特性进行广泛的表征。(图片来源:Min Sup Choi/哥伦比亚大学工程学院)

一幅关于Hall-bar结构的增强光学显微镜图像,用于表征通过超洁净转移触点制成的器件的晶体管特性。长的径向线由沉积的金制成,将器件中心的微小触点与便于测量的大型探针点连接起来。(图片来源:Min Sup Choi/哥伦比亚大学工程学院)

现在,研究人员已经开发出一种稳定、可重复的工艺,他们正在使用平台制造可走出实验室去解决真实世界工程问题的器件。

底黑拉尼补充道:“高性能二维器件的开发,需要在制造它们所需的半导体材料方面取得进展。像我们现在所有的这种更加精准的工具,将使我们有望构建功能更强大、性能更优秀、复杂程度更高的结构。”

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