Les panneaux solaires, les caméras, les biocapteurs et la fibre optique sont des technologies qui reposent sur des photodétecteurs ou des capteurs qui convertissent la lumière en électricité. Les photodétecteurs deviennent de plus en plus efficaces et abordables, la taille de leurs composants semi-conducteurs diminuant. Cependant, cette miniaturisation repousse les limites fixées par les matériaux et les méthodes de fabrication actuels, obligeant à des compromis entre taille et performances.

Il existe de nombreuses limites au processus traditionnel de fabrication des puces semi-conductrices. Les puces sont créées en faisant croître le film semi-conducteur sur le dessus d'une plaquette de manière à ce que la structure cristalline du film soit alignée avec celle de la plaquette de substrat. Cela rend difficile le transfert du film sur d'autres matériaux de substrat, ce qui réduit son applicabilité.

De plus, la méthode actuelle de transfert et d'empilement de ces films se fait par exfoliation mécanique, un processus dans lequel un morceau de ruban adhésif retire le film semi-conducteur puis le transfère sur un nouveau substrat, couche par couche. Ce processus se traduit par plusieurs couches non uniformes empilées les unes sur les autres avec les imperfections de chaque couche accumulées dans l'ensemble. Ce processus affecte la qualité du produit et limite la reproductibilité et l'évolutivité de ces puces.

Enfin, certains matériaux ne fonctionnent pas bien en couches extrêmement fines. Le silicium reste omniprésent en tant que matériau de choix pour les puces à semi-conducteurs, cependant, plus il devient mince, moins il fonctionne en tant que structure photonique, ce qui le rend moins qu'idéal dans les photodétecteurs. D'autres matériaux qui fonctionnent mieux que le silicium car les couches extrêmement minces nécessitent encore une certaine épaisseur pour interagir avec la lumière, ce qui pose le défi d'identifier les matériaux photoniques optimaux et leur épaisseur critique pour fonctionner dans les puces semi-conductrices photodétectrices.

La fabrication de films semi-conducteurs photoniques uniformes, extrêmement fins et de haute qualité en un matériau autre que le silicium rendrait les puces semi-conductrices plus efficaces, applicables et évolutives.

Penn Engineers Deep Jariwala, professeur adjoint en génie électrique et des systèmes, et Pawan Kumar et Jason Lynch, boursier postdoctoral et étudiant au doctorat dans son laboratoire, ont mené une étude publiée dans Nature Nanotechnology qui visait à faire exactement cela. Eric Stach, professeur en science et génie des matériaux, ainsi que son postdoc Surendra Anantharaman, le doctorant Huiqin Zhang et l'étudiant de premier cycle Francisco Barrera ont également contribué à ce travail. L'étude collaborative comprenait également des chercheurs de Penn State, AIXTRON, UCLA, l'Air Force Research Lab et le Brookhaven National Lab, et a été principalement financée par l'Army Research Lab. Leur article décrit une nouvelle méthode de fabrication de super-réseaux atomiquement minces, ou films semi-conducteurs, hautement émissifs à la lumière.

Les matériaux d'une épaisseur d'atome prennent généralement la forme d'un réseau ou d'une couche d'atomes géométriquement alignés qui forment un motif spécifique à chaque matériau. Un super-réseau est constitué de réseaux de différents matériaux empilés les uns sur les autres. Les super-réseaux ont des propriétés optiques, chimiques et physiques complètement nouvelles qui les rendent adaptables à des applications spécifiques telles que la photo-optique et d'autres capteurs.

L'équipe de Penn Engineering a créé un super-réseau de cinq atomes d'épaisseur de tungstène et de soufre (WS2).

"Après deux ans de recherche utilisant des simulations qui nous ont informés de la manière dont le super-réseau interagirait avec l'environnement, nous étions prêts à construire expérimentalement le super-réseau", explique Kumar. "Because traditional superlattices are grown on a desired substrate directly, they tend to be millions of atoms thick, and difficult to transfer to other material substrates. We collaborated with industry partners to ensure that our atomically thin superlattices were grown to be scalable and applicable to many different materials."

They grew monolayers of atoms, or lattices, on a two-inch wafer and then dissolved the substrate, which allows the lattice to be transferred to any desired material, in their case, sapphire. Additionally, their lattice was created with repeating units of atoms aligned in one direction to make the superlattice two-dimensional, compact and efficient.

"Our design is scalable as well," says Lynch. "We were able to create a superlattice with a surface area measured in centimeters with our method, which is a major improvement compared to the micron scale of silicon superlattices currently being produced. This scalability is possible due to uniform thickness in our superlattices, which makes the manufacturing process simple and repeatable. Scalability is important to be able to place our superlattices on the industry-standard, four-inch chips."

Their superlattice design is not only extremely thin, making it lightweight and cost effective, it can also emit light, not just detect it.

"We are using a new type of structure in our superlattices that involves exciton-polaritons, which are quasi-state particles made of half matter and half light," says Lynch. "Light is very hard to control, but we can control matter, and we found that by manipulating the shape of the superlattice, we could indirectly control light emitted from it. This means our superlattice can be a light source. This technology has the potential to significantly improve lidar systems in self-driving cars, facial recognition and computer vision."

Being able to both emit and detect light with the same material opens the door for more complicated applications.

"One current technology that I can see our superlattice being used for is in integrated photonic computer chips which are powered by light," says Lynch. "Light moves faster than electrons, so a chip powered by light will increase computing speed, making the process more efficient, but the challenge has been finding a light source that can power the chip. Our superlattice may be a solution there."

Applications for this new technology are diverse and will likely include high-tech robotics, rockets and lasers. Because of the wide range of applications for these superlattices, the scalability is very important.

"Our superlattices are made with a general, non-sophisticated process that does not require multiple steps in a clean room, allowing the process to be repeated easily," says Kumar. "Additionally, the design is applicable to many different types of materials, allowing for adaptability."

"In the tech world, there is a constant evolution of things moving toward the nanoscale," he says. "We will definitely be seeing a thinning down of microchips and the structures that make them, and our work in the two-dimensional material is part of this evolution."

"Of course, as we thin things down and make technology smaller and smaller, we start to interact with quantum mechanics and that's when we see interesting and unexpected phenomena occur," says Lynch. "I am very excited to be a part of a team bringing quantum mechanics into high-impact technology." + Explorer plus loin

Researchers engineer magnetic complexity into atomically thin magnets