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超洁净的制造平台可生产近乎理想的2D晶体管

发布时间:2019-05-18 11:19:05 来源:

半导体是晶体管,微处理器,激光器和LED的基本构建模块,自20世纪中期以来,它在计算,存储器,通信和照明技术方面取得了进步。最近发现的具有许多最佳特性的二维材料具有推进这些技术的潜力,但是创造具有良好电接触和稳定性能的2D器件已证明具有挑战性。

哥伦比亚工程公司的研究人员报告称,他们已经展示了一种近乎理想的晶体管,该晶体管由二维(2D)材料叠层制成 - 只有两个原子厚的半导体层 - 通过开发完全清洁和无损伤的制造工艺。与使用传统工艺制造的2D半导体相比,他们的方法显示出极大改进的性能,并且可以提供用于在未来创建超洁净装置的可扩展平台。该研究于今天在Nature Electronics上发表。

“用二维材料制作设备是一项混乱的工作,”电气工程助理教授James Teherani说。“设备在不同的运行中变化很大,而且往往降级得如此之快,以至于当你还在测量时,你会看到性能下降。”

由于厌倦了不一致的结果,Teherani的团队着手开发一种更好的方法来制造稳定的设备。“所以,”他解释说,“我们决定将原始设备与导致可变性的肮脏制造工艺分开。”

正如这项新研究所示,Teherani和他的同事开发了一种两步,超洁净的纳米加工工艺,将“杂乱”的制造步骤分开 - 那些涉及“脏”金属化,化学品和用于形成电连接的聚合物器件 - 来自有源半导体层。一旦完成杂乱的制作,他们就可以拾取触点并将它们转移到清洁的有源器件层上,从而保持两层的完整性。

“这些半导体的薄度是一种祝福和诅咒,”Teherani说。“虽然薄度允许它们透明并且可以拾取并放置在任何你想要的地方,但薄度也意味着几乎没有体积 - 设备几乎完全是表面。因此,任何表面污垢或污染都会降低一个装置。”

目前,大多数器件没有封装有保护表面和触点在制造期间免受污染的层。Teherani的团队表明,他们的方法现在不仅可以保护半导体层,使其不会随着时间的推移而出现性能下降,而且还可以产生高性能器件。

Teherani与Jim Hone,Wang Fong-Jen机械工程教授合作,利用哥伦比亚纳米计划的制造和分析设施以及哥伦比亚国家科学基金会资助的材料研究科学和工程中心。该团队使用嵌入绝缘六方氮化硼(h-BN)中的金属转移触点,然后将接触层干式转移到2D半导体上,二维半导体在氮气手套箱内保持原始状态。该过程防止直接金属化引起的损坏,同时提供封装以保护器件。

现在,研究人员已经开发出一个稳定,可重复的过程,他们正在利用该平台制造出能够从实验室移出实际工程问题的设备。

“高性能2D器件的发展需要制造半导体材料的进步,”Teherani补充说。“像我们这样的更精确的工具将使我们能够构建更复杂的结构,具有更强大的功能和更好的性能。”

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