Image améliorée au microscope optique d'une structure Hall-bar utilisée pour caractériser les propriétés des transistors pour les dispositifs fabriqués avec des contacts transférés ultrapropres. Les longues lignes radiales, fait d'or déposé, connectez les petits contacts au centre de l'appareil à de grandes plages de sonde pour des mesures faciles. Crédit :Min Sup Choi/Columbia Engineering
Semi-conducteurs, qui sont les éléments de base des transistors, microprocesseurs, laser, et LED, ont fait progresser l'informatique, Mémoire, communication, et des technologies d'éclairage depuis le milieu du 20e siècle. Matériaux bidimensionnels récemment découverts, qui présentent de nombreuses propriétés superlatives, ont le potentiel de faire progresser ces technologies, mais la création d'appareils 2D avec à la fois de bons contacts électriques et des performances stables s'est avérée difficile.
Des chercheurs de Columbia Engineering rapportent qu'ils ont démontré un transistor presque idéal fabriqué à partir d'un empilement de matériaux bidimensionnel (2-D) - avec seulement une couche semi-conductrice de deux atomes d'épaisseur - en développant un processus de fabrication complètement propre et sans dommage. Leur méthode montre des performances considérablement améliorées par rapport aux semi-conducteurs 2D fabriqués avec un processus conventionnel, et pourrait fournir une plate-forme évolutive pour créer des appareils ultra-propres à l'avenir. L'étude a été publiée aujourd'hui dans Nature Électronique .
« Créer des appareils à partir de matériaux 2D est une entreprise compliquée, " dit James Teherani, professeur assistant en génie électrique. "Les appareils varient énormément d'une course à l'autre et se dégradent souvent si rapidement que vous voyez les performances diminuer pendant que vous les mesurez encore."
Fatigué des résultats incohérents, L'équipe de Teherani a entrepris de développer un meilleur moyen de fabriquer des appareils stables. "Donc, " il explique, "nous avons décidé de séparer l'appareil vierge des processus de fabrication sales qui conduisent à la variabilité."
Comme le montre cette nouvelle étude, Teherani et ses collègues ont développé une approche en deux étapes, processus de nanofabrication ultra-propre qui sépare les étapes « désordonnées » de la fabrication, celles qui impliquent une métallisation « sale », produits chimiques, et des polymères utilisés pour former des connexions électriques avec le dispositif à partir de la couche semi-conductrice active. Une fois qu'ils ont terminé la fabrication désordonnée, ils pourraient ramasser les contacts et les transférer sur la couche de périphérique active propre, préserver l'intégrité des deux couches.
"La minceur de ces semi-conducteurs est une bénédiction et une malédiction, " dit Teherani. " Alors que la minceur leur permet d'être transparents et d'être ramassés et placés où vous le souhaitez, la minceur signifie également qu'il y a un volume presque nul - l'appareil est presque entièrement en surface. À cause de ce, toute saleté ou contamination de surface dégradera vraiment un appareil."
Actuellement, la plupart des dispositifs ne sont pas encapsulés avec une couche qui protège la surface et les contacts de la contamination pendant la fabrication. L'équipe de Teherani a montré que leur méthode peut désormais non seulement protéger la couche semi-conductrice afin de ne pas voir de dégradation des performances au fil du temps, mais il peut également produire des appareils hautes performances.
Téhéran a collaboré avec Jim Hone, Wang Fong-Jen Professeur de génie mécanique, en utilisant les installations de fabrication et d'analyse de la Columbia Nano Initiative et du Materials Research Science and Engineering Center de Columbia, financé par la National Science Foundation. L'équipe a réalisé les contacts transférés à partir de métal noyé dans du nitrure de bore hexagonal isolant (h-BN) à l'extérieur d'une boîte à gants, puis a transféré à sec la couche de contact sur le semi-conducteur 2-D, qui a été conservé vierge à l'intérieur d'une boîte à gants d'azote. Ce processus empêche les dommages induits par la métallisation directe tout en fournissant simultanément une encapsulation pour protéger le dispositif.
Le processus de fabrication des contacts transférés qui produisent des transistors presque idéaux. Les contacts transférés empêchent la contamination et les dommages au semi-conducteur 2D qui se produisent lors de la fabrication de contacts conventionnels. Crédit :Min Sup Choi/Columbia Engineering
Une structure de dispositif Hall-bar (voir encadré) est liée par fil à un support de puce à 16 broches. Le support de puce permet une caractérisation électrique approfondie du dispositif à la fois à basse température et à champs magnétiques élevés. Crédit :Min Sup Choi/Columbia Engineering
Maintenant que les chercheurs ont développé une écurie, processus reproductible, ils utilisent la plate-forme pour fabriquer des appareils qui peuvent passer du laboratoire à des problèmes d'ingénierie du monde réel.
« Le développement de dispositifs 2-D hautes performances nécessite des avancées dans les matériaux semi-conducteurs à partir desquels ils sont fabriqués, " ajoute Teherani. " Des outils plus précis comme le nôtre nous permettront de construire des structures plus complexes avec potentiellement une plus grande fonctionnalité et de meilleures performances. "
L'étude s'intitule "Transféré via des contacts en tant que plate-forme pour des transistors bidimensionnels idéaux".
