Einem Forschungsteam unter der Leitung von Professor Joonki Suh vom Department of Materials Science and Engineering und der Graduate School of Semiconductor Materials and Devices Engineering der UNIST ist ein bedeutender Durchbruch in der Dünnschicht-Abscheidungstechnologie gelungen. Durch den Einsatz eines innovativen Atomlagenabscheidungsverfahrens (ALD) gelang es Professor Seo, bei niedrigen Temperaturen von bis zu 50 Grad Celsius erfolgreich eine regelmäßige Anordnung von Telluratomen (Te) zu erreichen.
Das ALD-Verfahren ist ein hochmodernes Dünnschichtverfahren, das eine präzise Stapelung von Halbleitermaterialien auf Atomlagenebene auf dreidimensionalen Strukturen ermöglicht – auch bei niedrigen Prozesstemperaturen. Allerdings erfordert die herkömmliche Anwendung auf Halbleiter der nächsten Generation hohe Verarbeitungstemperaturen über 250 Grad Celsius und eine zusätzliche Wärmebehandlung über 450 Grad Celsius.
In dieser Forschung wandte das UNIST-Team ALD auf monoelementares Van-der-Waals-Tellur an – ein Material, das derzeit intensiv auf seine potenziellen Anwendungen in elektronischen Geräten und thermoelektrischen Materialien untersucht wird.
Bemerkenswerterweise gelang es ihnen, hochwertige Te-Dünnfilme ohne Wärmebehandlung nach der Abscheidung bei einer beispiellos niedrigen Temperatur von nur 50 Grad Celsius herzustellen. Die resultierenden Filme wiesen eine außergewöhnliche Gleichmäßigkeit mit präzise kontrollierter Dicke bis in den Nanometerbereich auf und erreichten so eine perfekte Atomanordnung mit einem von einer Milliarde Atomen.
Um die Reaktivität bei niedrigeren Temperaturen zu erhöhen, verwendete das Forschungsteam zwei Vorläufer mit Säure-Base-Eigenschaften. Darüber hinaus führten sie Co-Reaktanten ein, um Oberflächenreaktionen und Stabilität zu verbessern, und verwendeten gleichzeitig eine wiederholte Dosierungstechnik, indem sie Vorläufer in kürzeren Abständen injizierten. Diese Strategien ermöglichten die Herstellung dichter und kontinuierlicher Te-Dünnfilme im Vergleich zu herkömmlichen Methoden, die häufig zu porösen oder diskontinuierlichen Kornablagerungen führten.
Der entwickelte Herstellungsprozess ermöglichte ein Wachstum im Wafermaßstab auf ganzen 4-Zoll-Wafern (100 mm) und ermöglichte eine präzise Kontrolle der Dicke auf Atomschichtebene und eine gleichmäßige Abscheidung. Darüber hinaus zeigten die dünnen Te-Filme Kompatibilität mit vertikalen dreidimensionalen Strukturen – eine entscheidende Voraussetzung für eine hohe Geräteintegration. Dieser Durchbruch birgt erhebliches Potenzial für verschiedene elektronische Geräte wie Transistoren, Gleichrichter und Auswahlelemente.
„Diese Forschung erfüllt alle wesentlichen Kriterien einer Niedertemperatur-, großflächigen und qualitativ hochwertigen Synthese in Halbleiterabscheidungsprozessen“, erklärte Professor Suh.
Die Ergebnisse dieser Forschung wurden in veröffentlicht ACS Nano.
Mehr Informationen:
Changhwan Kim et al, Atomic Layer Deposition Route to Scalable, Electronic-grade van der Waals Te Thin Films, ACS Nano (2023). DOI: 10.1021/acsnano.3c03559