В Корее разработали технологию наслоения полупроводников при низких температурах (150 °C) без повреждения материала
- 27 июл.
- 6 мин. чтения
Корреспондент Гу Бон Хёк
- Разработана новая технология производства полупроводников с использованием метода атомно-слойного осаждения
Концептуальное изображение роста тонкой пленки теллура с использованием метода эпитаксиального атомно-слойного осаждения (изображение сгенерированно ИИ) [Предоставлено KAIST]
Разработана технология, позволяющая снизить температуру процесса выращивания полупроводников, для которого ранее требовались температуры в сотни градусов, до 150 °C, что дает возможность наносить полупроводники на двумерные материалы без их повреждения.
27 июля KAIST сообщил, что исследовательская группа во главе с профессором Со Чжун Ги из факультета биохимической инженерии совместно с другой командой под руководством профессора Сон Бон Гына из Университета Ханьян и профессора Ли Мо Хана из Университета Райса (США) разработала новую технологию производства полупроводников с использованием метода атомно-слойного осаждения.
Внимание исследователей привлек «ван-дер-ваальсовы материалы», который пользуется большой популярностью в качестве двумерного полупроводникового материала. Благодаря возможности свободного наслоения различных материалов он привлекает внимание как ключевой материал для полупроводников нового поколения для искусственного интеллекта и полупроводников со сверхнизким энергопотреблением.
Однако из-за высокой стабильности поверхности было сложно организовать упорядоченный рост нового полупроводника в нужном направлении. В частности, при понижении температуры атомы рассеивались в разные стороны, что затрудняло создание полупроводников с высокими эксплуатационными характеристиками.
Исследовательская группа разработала новый метод, при котором прекурсор, содержащий теллур (Te) - материал, привлекающий внимание как полупроводник нового поколения - свободно перемещается по поверхности и самостоятельно находит наиболее стабильное положение, образуя покрытие в виде тонкой пленки.
Благодаря этому исследовательской группе удалось реализовать эпитаксиальный рост теллура на ван-дер-ваальсовом материале (двухмерный полупроводниковый материал нового поколения, в котором атомные слои наслаиваются друг на друга, как листы бумаги) с помощью метода атомно-слойного осаждения (ALD) даже при низкой температуре 150 °C, причём рост происходил упорядоченно в соответствии с расположением атомов кристалла нижнего слоя. Эпитаксиальный рост — это технология производства высококачественных полупроводников, при которой новый полупроводник с точностью до атома вырастает в соответствии с кристаллической структурой нижнего слоя. Это похоже на ровную укладку всех кирпичей в одном направлении, что обеспечивает лучшую проводимость электричества и повышает характеристики полупроводника.
Рис. 1. Диффузионно-управляемый процесс Epi-ALD теллура.
(A) Схематическое изображение процесса диффузионно-управляемого Epi-ALD теллура на гетерогранице vdW. В ходе этого процесса в качестве взаимодополняющих прекурсоров теллура используются TeH2, образующийся in situ из Te(SiMe3)2 при совместном введении MeOH, и Te(OEt)4 (30). (B) Изображение, полученное с помощью сканирующей просвечивающей электронной микроскопии с высокоугловым кольцевым тёмным полем (HAADF-STEM) в поперечном сечении для Te, нанесённого на WSe2. Изображение с атомным разрешением чётко показывает атомы Te, W и Se при наблюдении вдоль направления [001]. Масштабная линейка — 2 нм. (C) Соответствующие спектры Фурье-преобразования (FFT) для Te и WSe2 из (B). (D) Рамановский спектр для Te/WSe2, а также для чистого Te и WSe2. a.u. — произвольные единицы. (E) Анализ геометрической фазы для Te на WSe2. Он показывает существенное снижение межфазного напряжения до уровня ниже 0,2%, что также соответствует снижению на 95% по сравнению с ожидаемым напряжением ∼3,6% для системы Te/WSe2. Масштабные линейки — 2 нм. (F) Контрольные графики температуры эпитаксиального роста по методу vdW (37–45). Планка погрешности определена на основе диапазона температур роста.
Рис. 2. Характеристика структуры в плоскости на атомном уровне для Te, выращенного методом Epi-ALD на TMD.
(A и B) Изображение в высокоразрешающем просвечивающем электронном микроскопе (A) и спектры Фурье-преобразования (B) для Epi-ALD-наращенного Te на подложке из WSe2. Такое эпитаксиальное выравнивание является благоприятным благодаря низкому несоответствию кристаллических решеток ∼3,6 % (5,96 Å: ось c Te по сравнению с 5,75 Å: направление ac WSe2). (C) Двусторонний Epi-ALD на подвешенном WSe2, где верхний слой Te повернут на 60° относительно нижнего слоя Te. (D) Расчётные данные Eads, полученные методом MLIP, для направления ac слоя Te на базовой плоскости WSe2. Это показывает, что угол ориентации 30° относительно направления зигзага (zz) WSe2, что соответствует выравниванию по направлению ac WSe2, является наиболее стабильным состоянием; при этом данный расчет специально разработан для построения вычислительных моделей анизотропии одномерной системы Te/двумерного WSe2. (E) Зависимость разности Eads (∆Eads) от эпитаксиальной доли. Эта доля, определяемая как отношение ориентированных доменов Te к общему числу доменов Te, была получена при субоптимальной температуре роста 120 °C, при которой кинетические эффекты более выражены, что приводит к неорганизованному росту. Планка погрешности обозначает стандартное отклонение. (F) Изображения Te, полученные с помощью HAADF-STEM, в зависимости от ориентации. Все масштабные линейки — 1 нм. (G) Картирование ориентации упорядоченного Te на ML MoS2 с помощью 4D-STEM. Каждая ориентация Te обозначена цветовым кодом: желтым, темно-синим, красным и голубым. Масштабная линейка — 200 нм. Карта получена путем сбора отдельных дифракционных картин для всей области картирования. (H) Усредненные дифракционные картины из (G), полученные с помощью матричного детектора электронного микроскопа.
Рис. 3. Механизм эпитаксиального роста ALD-Te на поверхности vdW.
(A) Типичные изображения SEM с соответствующими схематическими рисунками для продуктов, выращенных методом ALD, на трёх типах кристаллических гексагональных подложек (вверху) и схематические изображения в атомном масштабе с качественными изображениями внеплоскостных потенциальных ям, иллюстрирующие зависимость адсорбции и поверхностной диффузии от шаблона (внизу). Цветовая кодировка потенциала вне плоскости: чёрный — графен; красный — WSe2; оранжевый — сапфир. Белые масштабные линейки — 1 мкм; жёлтая масштабная линейка — 200 нм. (B) Рассчитанные с помощью MLIP значения Eads прекурсоров Te в зависимости от подложки. (C) Рассчитанные усреднённые расстояние и вертикальная высота между TeH2 и графеном или WSe2. На врезке показан соответствующий схематический рисунок. (D) Зависимость плотности распределения и длины Te от подложки. Планка погрешности обозначает стандартное отклонение. (E) Энергетический барьер диффузии прекурсоров Te на сапфире и WSe2. (F) Статистическое распределение угла ориентации Te на WSe2 и сапфире.
Рис. 4. Масштабируемость метода Epi-ALD с кристаллографической и электрической однородностью.
(A) Фотография голой слюды и Te на слюде (вверху) и изображение Te на слюде, полученное с помощью растрового электронного микроскопа (СЭМ), с ориентацией в трех направлениях (внизу). Масштабная линейка — 400 нм. (B и C) Результаты рентгеновской дифракции (XRD) 2θ-ω (B) для ориентации вне плоскости и сканирование по φ (C) для ориентации в плоскости, демонстрирующие эпитаксиальную связь Te на подложке из F-слюды. (D) Спектры поглощения в ультрафиолетово-видимом диапазоне (UV-Vis) для пленок Te, выращенных методом Epi-ALD. На врезке показаны перенесённые плёнки Te, полученные методом Epi-ALD на сапфире. Масштабная линейка — 5 мм. (E) Типичная кривая переноса полевого транзистора (FET) на основе пленок Te, выращенных методом Epi-ALD с различной толщиной. На врезке представлена соответствующая схематическая иллюстрация транзистора. (F) Статистическое распределение log (Ion/Ioff) для 100 транзисторов, изготовленных с использованием пленок Te толщиной 8 нм.
Рис. 5. Регулируемая ориентация, обусловленная симметрией.
(A) Двухэтапная стратегия роста на ReX2 для получения квазимонокристаллических пленок с единой текстурой, состоящая из этапа зародышевого роста (этап I) и этапа плавного соединения (этап II). Ориентацию ReX2 и Te можно определить по их кристаллографической анизотропии. (B) Изображения, полученные с помощью поляризационной оптической микроскопии (POM), демонстрирующие однородное изменение контраста в зависимости от угла поляризации (θ) света. (C) Рамановские спектры, полученные при возбуждении поляризованным лазером с длиной волны 532 нм перпендикулярно (θ = 90°) или параллельно (θ = 0°) оси c. (D) Углоразрешенные Рамановские спектры, представленные на (B). Все колебательные моды интуитивно изменяются при повороте Te с шагом 10°. (E и F) Характеристика по данным EBSD вдоль оси z, демонстрирующая преобладание плоскости (1010) (E) с соответствующими узорами Кикути (F). IPF — обратная полюсная фигура. (G) Кривая I-V вертикального гетероперехода Te/ReSe2 с силами ван-дер-Ваальса. На врезке показана его схематическая иллюстрация. (H) Схема изготовленных устройств типа «планка Холла» с использованием квазимонокристаллических пленок Te. На врезке показано оптическое изображение изготовленного устройства. (I) Измерение магнитосопротивления <MR = {[Rxx(B) − Rxx(0)]/Rxx(0)} × 100%> в зависимости от направления магнитного поля в плоскости. (J) Зависимость значения MR от температуры при магнитном поле, приложенном перпендикулярно (α = 90°) или параллельно (α = 0°) направлению тока. Это демонстрирует, что наши квазимонокристаллические пленки Te проявляют хиральную аномалию. Планка погрешности обозначает стандартное отклонение.
Исследовательская группа KAIST, проводившая данное исследование. Ли Га Ён (слева направо), аспирант; Чан Мин Гю и Ким Чан Хван, студенты программы интегрированной аспирантуры; Со Чжун Ги, профессор; Хо Нам Ук, студент интегрированной аспирантуры; и Чжу Вэньшуан, постдокторант [Предоставлено KAIST]
Кроме того, было подтверждено, что эту технологию можно применять к различным ван-дер-ваальсовым материалам, таким как селенид вольфрама (WSe₂), дисульфид молибдена (MoS₂), селенид рения (ReSe₂) и слюда (Mica). То есть было продемонстрировано, что эта технология не ограничивается применением к одному конкретному материалу, а может широко использоваться в различных видах полупроводниковых материалов нового поколения.
Исследовательская группа также изготовила на основе полупроводников, полученных таким образом, транзисторы (основные полупроводниковые элементы, управляющие потоком тока) и оптоэлектронные устройства (полупроводниковые элементы, воспринимающие или излучающие свет).
«То, что нам удалось осуществить эпитаксиальный рост при температуре 150 градусов, означает, что можно выращивать тонкую плёнку с высокой кристалличностью и контролируемой ориентацией, значительно снижая при этом тепловую нагрузку» - сказал профессор Со Чжун Ги, добавив: «Это показывает возможность расширения данной технологии в будущем в техпроцессы гетероинтеграции полупроводников нового поколения, поскольку позволяет интегрировать новые функциональные плёнки на уже сформированные полупроводниковые структуры с минимальным дополнительным повреждением».
Результаты данного исследования опубликованы 24 июля в международном научном журнале «Science Advances».
Комментарии