Les scientifiques et les ingénieurs de l'UCLA ont développé un nouveau processus d'assemblage de dispositifs à semi-conducteurs. L'avancée pourrait conduire à des transistors beaucoup plus économes en énergie pour l'électronique et les puces informatiques, diodes pour cellules solaires et diodes électroluminescentes, et d'autres dispositifs à base de semi-conducteurs.

Un article sur la recherche a été publié dans La nature . L'étude a été dirigée par Xiangfeng Duan, professeur de chimie et de biochimie à l'UCLA College, et Yu Huang, professeur de science et d'ingénierie des matériaux à la UCLA Samueli School of Engineering. L'auteur principal est Yuan Liu, un boursier postdoctoral de l'UCLA.

Leur méthode combine une couche semi-conductrice et une couche d'électrode métallique sans les défauts au niveau atomique qui se produisent généralement lorsque d'autres processus sont utilisés pour construire des dispositifs à base de semi-conducteurs. Même si ces défauts sont minuscules, ils peuvent piéger les électrons circulant entre le semi-conducteur et les électrodes métalliques adjacentes, ce qui rend les appareils moins efficaces qu'ils ne pourraient l'être. Les électrodes dans les dispositifs à base de semi-conducteurs sont ce qui permet aux électrons de voyager vers et depuis le semi-conducteur; les électrons peuvent transporter des informations informatiques ou de l'énergie pour alimenter un appareil.

Généralement, les électrodes métalliques dans les dispositifs à semi-conducteurs sont construites à l'aide d'un processus appelé dépôt physique en phase vapeur. Dans ce processus, les matériaux métalliques sont vaporisés en atomes ou en amas atomiques qui se condensent ensuite sur le semi-conducteur, qui peut être du silicium ou un autre matériau similaire. Les atomes métalliques adhèrent au semi-conducteur par des liaisons chimiques fortes, formant finalement un film mince d'électrodes au sommet du semi-conducteur.

Un problème avec ce processus est que les atomes métalliques sont généralement de tailles ou de formes différentes des atomes des matériaux semi-conducteurs auxquels ils se lient. Par conséquent, les couches ne peuvent pas former de liaisons atomiques parfaites un à un, c'est pourquoi de petits écarts ou défauts se produisent.

"C'est comme essayer d'adapter une couche de blocs de marque Lego sur ceux d'une marque concurrente, " Huang a dit. " Vous pouvez forcer les deux blocs différents ensemble, mais l'ajustement ne sera pas parfait. Avec des semi-conducteurs, ces liaisons chimiques imparfaites conduisent à des lacunes où les deux couches se rejoignent, et ces lacunes pourraient s'étendre sous forme de défauts au-delà de l'interface et dans les matériaux."

Ces défauts piègent les électrons qui les traversent, et les électrons ont besoin d'énergie supplémentaire pour traverser ces points.

La méthode UCLA évite la formation de défauts, en joignant une fine feuille de métal au-dessus de la couche semi-conductrice par un simple processus de stratification. Et au lieu d'utiliser des liaisons chimiques pour maintenir les deux composants ensemble, la nouvelle procédure utilise les forces de van der Waals – de faibles connexions électrostatiques qui sont activées lorsque les atomes sont très proches les uns des autres – pour maintenir les molécules « attachées » les unes aux autres. Les forces de Van der Waals sont plus faibles que les liaisons chimiques, mais ils sont suffisamment solides pour maintenir les matériaux ensemble en raison de leur minceur - chaque couche a une épaisseur d'environ 10 nanomètres ou moins.

"Même s'ils sont différents dans leur géométrie, les deux couches se rejoignent sans défaut et restent en place grâce aux forces de van der Waals, " dit Huang.

La recherche est également le premier travail à valider une théorie scientifique qui a pris naissance dans les années 1930. La règle de Schottky-Mott a proposé la quantité minimale d'énergie dont les électrons ont besoin pour voyager entre le métal et un semi-conducteur dans des conditions idéales.

En utilisant la théorie, les ingénieurs devraient être en mesure de sélectionner le métal qui permet aux électrons de se déplacer à travers la jonction entre le métal et le semi-conducteur avec la plus petite quantité d'énergie. Mais à cause de ces petits défauts qui se sont toujours produits pendant la fabrication, les dispositifs semi-conducteurs ont toujours eu besoin d'électrons avec plus d'énergie que le minimum théorique.

L'équipe de l'UCLA est la première à vérifier la théorie dans des expériences avec différentes combinaisons de métaux et de semi-conducteurs. Parce que les électrons n'avaient pas à surmonter les défauts habituels, ils ont pu voyager avec la quantité minimale d'énergie prévue par la règle de Schottky-Mott.

"Notre étude valide pour la première fois ces limites fondamentales des interfaces métal-semi-conducteur, " a déclaré Duan. "Cela montre une nouvelle façon d'intégrer des métaux sur d'autres surfaces sans introduire de défauts. Largement, cela peut être appliqué à la fabrication de tout matériau délicat avec des interfaces qui étaient auparavant en proie à des défauts."

Par exemple, outre les contacts d'électrode sur les semi-conducteurs, il pourrait être utilisé pour assembler des composants électroniques nanométriques à très haut rendement énergétique, ou des dispositifs optoélectroniques tels que des cellules solaires.

Les autres auteurs de l'article de l'UCLA sont les étudiants diplômés Jian Guo, Enbo Zhu et Sung-Joon Lee, et chercheur postdoctoral Mengning Ding. Des chercheurs de l'Université du Hunan, Chine; Université King Saud, Arabie Saoudite; et Northrop Grumman Corporation ont également contribué à l'étude.

L'étude s'appuie sur près d'une décennie de travail de Duan et Huang sur l'utilisation des forces de van der Waals pour intégrer des matériaux. Une étude qu'ils ont menée, Publié dans La nature en mars 2018, ont décrit leur utilisation des forces de van der Waals pour créer une nouvelle classe de matériaux 2D appelés super-réseaux moléculaires à cristaux atomiques monocouches. Dans une étude antérieure, qui a été publié dans La nature en 2010, ils ont décrit leur utilisation des forces de van der Waals pour construire des transistors à grande vitesse utilisant du graphène.