Experimentelles Nanoblattmaterial markiert einen Schritt in Richtung der nächsten Generation von Hochleistungselektronik mit geringem Stromverbrauch

Ein Forscherteam in China hat ein hochleitfähiges Material entwickelt, das den Kontaktwiderstand und die Höhe der Schottky-Barriere in kritischen Teilen elektronischer und optoelektronischer Mikrochips erheblich reduzieren könnte und so den Weg für Computer- und digitale Bildgebungskomponenten ebnet, die im Verhältnis zu ihrer Leistung weniger Strom verbrauchen als vorhandene Chipsätze.

Das Material Molybdändisulfid (MoS2) ist so dünn, dass es in eine zweidimensionale Klassifizierung fällt. Das heißt, es wird in Schichten gezüchtet, die sich in zwei Richtungen, X und Y, erstrecken, aber auf einer Z-Achse praktisch nicht messbar sind, weil das Material oft nur ein einzelnes Molekül oder Atom hoch ist.

Das Team unter der Leitung von Professor Dong Li und Professor Anlian Pan vom College of Materials Science and Engineering der Hunan University veröffentlichte seine Ergebnisse in Nanoforschung.

In dem Artikel „Epitaxiale Van-der-Waals-Kontakte für MoS2-Feldeffekttransistoren mit niedriger Schottky-Barriere“ betonen die Autoren, wie 2D-Materialien aufgrund ihrer zahlreichen und einstellbaren elektronischen Zustände und ihrer vielfältigen optischen, elektronischen und mechanischen Eigenschaften enorme Aufmerksamkeit erregt haben Sie sind vielversprechende Bausteine ​​für zukünftige elektronische und optoelektronische Hochleistungsgeräte wie Transistoren, Fotodetektoren und Leuchtdioden.

Das Experiment war ein Versuch, es anzugehen. „Die Leistung eines 2D-Halbleitertransistors hängt hauptsächlich von den mikroskopischen Verbindungen zwischen Komponenten innerhalb eines Chips ab, und die Qualität dieser Verbindungen hängt letztendlich von dem Material ab, das an diesen Kontaktpunkten verwendet wird, bei denen es sich immer um Metalle handelt, die durch thermische Verdampfung erzielt werden, was die Leistung begrenzt auf 2D-Materialien basierende Transistoren“, sagte Li.

Um einen leistungsfähigeren Kontaktpunkt zu entwickeln, verwendete Lis Team Wismut-Tellurid (Bi2Te3), ein hochleitfähiges Halbmetall und Halbmetall in Kombination mit halbleitendem MoS2. Das gemeinsame Züchten dieser metalloiden Nanoblattkristalle als Hybrid führte zu anfänglich vielversprechenden Ergebnissen.

„Versuche in den letzten Jahren, epitaktisch gewachsene Halbleiterkontakte zu erreichen, waren in Laborumgebungen erfolgreich, waren aber wahrscheinlich keine Kandidaten für eine Skalierung auf das Niveau, das für die Herstellung von Chips und anderen Geräten erforderlich wäre“, sagte Li.

„Die meisten dieser Methoden stellen strenge Anforderungen an die Materialvorbereitung und strenge Fertigung und sind kaum mit weiteren Herstellungsprozessen in integrierten Schaltkreisen kompatibel. Die Realisierung von hochwertigen halbleitenden 2D-Materialien und gleichzeitig exzellentem Kontakt ist entscheidend für zuverlässige Geräteanwendungen. „

Der Prozess zur Herstellung dieses experimentellen Van-der-Waals-Kontakts umfasste die vertikale Stapelung von MoS2 und Bi2Te3 in einem zweistufigen Syntheseprozess. Während des Wachstums der MoS2-Monoschicht wurden Molybdäntrioxid (MoO3)-Pulver und Schwefelpulver in der Mitte bzw. im oberen Strom des Ofens platziert, und ein Stück Siliziumdioxid (SiO2)-Substrat wurde stromabwärts eines Quarzrohrs platziert.

Für den zweiten Wachstumsschritt der Bi2Te3-Nanoblätter wurden das Bi2Te3-Pulver und die gewachsenen MoS2-Nanoblätter in der Mitte bzw. stromabwärts des Quarzrohrs platziert. Nach 5 Minuten Wachstum wurden MoS2/Bi2Te3-Heterostrukturen erhalten.

Die Forscher beobachteten, dass die Wachstumstemperatur und die Gasflussrate während des Wachstumsprozesses die Dicke und Keimbildungsstellen der Bi2Te3-Nanoblätter beeinflussen könnten.

Das Team verwendete eine Vielzahl von elektrischen und bildgebenden Verfahren, um das Aussehen und die Leitfähigkeit der Hybrid-Nanoblätter zu beobachten, und stellte fest, dass die neue Kontaktmethode Goldkontakte deutlich übertraf, die als Basismessung nützlich sind, da Gold in der Chipherstellung weit verbreitet ist.

Das neue Kontaktverfahren wurde bei verschiedenen Umgebungstemperaturen getestet und behielt seine gute Leistung bei Raumtemperatur – ein wichtiger Meilenstein, um das halbleitende MoS2/Bi2Te3-Kontaktverfahren zu einem guten Kandidaten für die zukünftige kommerzielle Realisierbarkeit zu machen.

„Durch die Kombination der zahlreichen Vorteile bieten die epitaxialen Van-der-Waals-Bi2Te3-Kontakte eine neue Strategie für die Anwendung von 2D-MoS2 in zukünftigen optoelektronischen Geräten“, sagte Li.

„Jetzt, da wir die Funktionalität von Bi2Te3-Kontakten in einer kontrollierten Laborumgebung nachgewiesen haben, werden die nächsten Schritte darin bestehen, diese Methode weiter zu untersuchen und zu optimieren, in der Hoffnung, dass diese neue Technologie schließlich für eine breite Anwendung in leistungsfähigeren, Elektronik mit geringerem Energieverbrauch.“