科学家开创了在电子产品上生长超薄半导体的无转移方法

莱斯大学的一个材料科学家团队开发了一种将超薄半导体直接生长到电子元件上的新方法。

发表在《ACS Applied Electronic Materials》上的一项研究中描述了该方法，可以帮助简化二维材料与下一代电子、神经形态计算和其他需要超薄高速半导体的技术的集成。

研究人员使用化学气相沉积 （CVD） 将二硒化钨（一种二维半导体）直接生长到图案化金电极上。接下来，他们通过构建一个功能性、概念验证的晶体管来演示这种方法。与需要将易碎的 2D 薄膜从一个表面转移到另一个表面的传统技术不同，Rice 团队的方法完全消除了转移过程。

“这是首次展示一种无转移方法来种植 2D 设备，”莱斯大学博士生、该研究的第一作者萨特维克·阿贾伊·艾扬格 （Sathvik Ajay Iyengar） 与莱斯大学博士校友卢卡斯·萨西 （Lucas Sassi） 一起说。“这是朝着降低加工温度和实现无转移的二维半导体集成工艺迈出的坚实一步。”

这一发现始于一次例行实验中的一次意外观察。

“我们从一位合作者那里收到了一个样本，上面有金色标记，”萨西说。“在CVD生长过程中，2D材料意外地主要在金表面形成。这一令人惊讶的结果激发了这样一个想法，即通过故意对金属触点进行图案化，我们也许能够直接引导二维半导体在金属触点上的生长。

半导体是现代计算的基础，随着行业竞相向更小、更快、更高效的组件，集成二硒化钨等更高性能、原子级薄的材料日益成为优先事项。

传统的器件制造需要单独生长二维半导体，通常是在非常高的温度下，然后使用一系列步骤进行转移。虽然二维材料有望在某些指标上优于硅，但事实证明，将其实验室规模的承诺转化为行业相关应用已经很困难——这在很大程度上是由于材料在转移过程中的脆弱性。

“转移过程会降低材料的性能并损害其性能，”莱斯大学 Pulickel Ajayan 研究小组的成员艾扬格说。

Rice 团队优化了前体材料以降低 2D 半导体的合成温度，并表明它以受控的定向方式生长。

“了解这些二维半导体如何与金属相互作用，尤其是在原位生长时，对于未来的设备制造和可扩展性非常有价值，”莱斯大学本杰明·M·安德森和玛丽·格林伍德·安德森工程学教授兼材料科学和纳米工程教授阿贾扬说。

该团队使用先进的成像和化学分析工具，证实该方法保持了金属触点的完整性，而金属触点在高温下很容易损坏。

“我们在这个项目中的很多工作都集中在证明材料系统仍然完好无损，”艾扬格说。“我们在莱斯大学装备精良，可以对这一过程中发生的化学进行非常精细的研究。看到这些材料之间的界面发生了什么是研究的一个巨大动力。

Sassi 指出，该方法的成功在于金属和二维材料在生长过程中的强烈相互作用。

“缺乏可靠、无转移的二维半导体生长方法一直是将其集成到实际电子产品中的主要障碍，”他说。“这项工作可能会为在下一代晶体管、太阳能电池和其他电子技术中使用原子薄材料带来新的机会。”
除了制造过程中
的挑战外，二维半导体设计的另一个关键障碍是电触点的质量，这不仅需要低能量障碍，还需要稳定持久的性能、可扩展性和与各种材料的兼容性。

“原位生长方法使我们能够结合多种策略来同时提高接触质量，”该研究的共同通讯作者、莱斯大学前研究科学家阿南德·普蒂拉特 （Anand Puthirath） 说。

该项目是由美印研究计划中提出的一个问题引发的：能否在有限的预算内开发 2D 材料的半导体制造工艺？

“这始于我们与印度合作伙伴的合作，”艾扬格说，他是日本科学振兴会的会员，也是四方奖学金的首届获得者，该计划由美国、印度、澳大利亚和日本政府发起，旨在支持早期职业科学家探索科学、政策和外交如何在全球舞台上交叉。“它展示了国际伙伴关系如何帮助识别实际限制并激发在全球研究环境中发挥作用的新方法。”

艾扬格与四方奖学金队列中的几位同行共同撰写了一篇文章，倡导“在 STEM 和外交交叉领域需要专业知识”。
艾扬格说
：“科学家和政策制定者之间加强接触对于确保科学进步转化为造福整个社会的可行政策至关重要。“材料科学是国际合作可能被证明是无价的研究领域之一，特别是考虑到关键矿物供应有限和供应链中断等限制。”