В Корее разрабатывают технологию изготовления двухмерных полупроводников, позволяющую повысить их производительность в 63 раза

Корреспондент Гу Бон Хёк

- Команда во главе с профессором Квон Хёк Чжун разработала технологию светового легирования сверхвысокого разрешения на основе микролинз

Профессор Квон Хёк Чжун (слева направо) из факультета электрического инжиниринга и компьютерных наук DGIST и студент интегрированной аспирантуры Ким Чжун Иль [Предоставлено DGIST]

Схема процесса LAMP на основе микролинз [Предоставлено DGIST]

Корейские ученые разработали технологию, позволяющую с помощью одного лишь света создавать дефекты на атомном уровне в желаемом месте.

Исследовательская группа под руководством профессора Квон Хёк Чжуна с кафедры электрического инжиниринга и компьютерных наук DGIST (Институт науки и технологии Дэгу-Кёнбук) разработала новую технологию светового легирования, позволяющую точно контролировать электрические свойства двумерных (2D) полупроводников с помощью света. Ожидается, что эта технология, обеспечивающая стабильное n-типовое легирование без использования традиционного химического легирования или высокотемпературных процессов, будет способствовать не только разработке CMOS на основе 2D-полупроводников, но и трехмерных полупроводниковых элементов.

2D-полупроводники демонстрируют превосходные электрические характеристики даже при очень малой толщине, составляющей всего несколько слоев атома, и поэтому привлекают внимание как материалы для полупроводников следующего поколения. Однако из-за своей малой толщины они сильно подвержены влиянию дефектов и состояния поверхности, что создавало ограничение в виде сложности стабильной реализации желаемых электрических характеристик.

В частности, существующие технологии управления дефектами, позволяющие регулировать свойства полупроводников, часто полагались на высокотемпературную термообработку, плазменные процессы и облучение электронным пучком. В ходе этих процессов возникали проблемы, связанные с повреждением материала или появлением дефектов в нежелательных областях. В связи с этим постоянно возникала потребность в высокоточных технологиях, позволяющих формировать дефекты только в нужных местах при низкой температуре.

Для решения этих проблем исследовательская группа разработала технологию «LAMP (Laser-Assisted Microlens Array Processing или обработка массивом микролинз с помощью лазера)». Эта технология использует самосборные прозрачные микрочастицы полистирола в качестве миниатюрных линз, позволяя микроскопически фокусировать лазер с непрерывной волной длиной 532 нм до уровня ниже предела дифракции света. Исследовательская группа успешно использовала эту технологию для избирательного формирования вакансий серы (sulfur vacancy) внутри монослоя дисульфида молибдена (MoS₂).

Рис. 1. Схема и характеристика процесса LAMP. (a) Концептуальная иллюстрация образования вакансий серы в монослое MoS2 с использованием LAMP с полистироловыми микросферами (слева: во время обработки LAMP, справа: после удаления микросфер). (b) Моделирование в COMSOL усиленного распределения электрического поля, проходящего через полистирольную микросферу диаметром 1,04 мкм при освещении лазером с длиной волны 532 нм, демонстрирующее эффект микролинзы. (c) Моделированный профиль луча плотно сфокусированного света под микросферой. (d) Изображение под оптическим микроскопом однородного самосборного монослоя полистирольных микросфер, нанесенного на монослой MoS2 на большой площади. (e) Измерения морфологии с помощью АСМ на покрытых и непокрытых участках, подтверждающие успешное осаждение полистирольных микросфер размером 1,04 мкм. (f) Изображения, полученные с помощью оптического микроскопа, показывают микросферы из полистирола, нанесенные на монослой MoS2 после лазерного облучения при фиксированной скорости сканирования 1 мкм/с и мощностях лазера 0, 50, 75 и 100 мВт; они демонстрируют, что микросферы остаются неповрежденными в этом диапазоне мощностей лазера.

Рис. 2. Оптическая характеристика монослоя MoS2 до и после обработки LAMP при различных мощностях. (a) Изображение монослоя MoS2 под оптическим микроскопом, демонстрирующее область, обработанную LAMP (красная пунктирная рамка), и необработанную окружающую область. Обработка LAMP проводилась на площади 30 мкм × 30 мкм с использованием зигзагообразного узора, а после обработки микросферы из полистирола удалялись толуолом. (b–d) Изображения PL-картографирования с интегрированной интенсивностью для мощностей лазера 40, 50 и 60 мВт соответственно. Цветовая шкала соответствует интенсивности PL в диапазоне от 0 до 43 350. С увеличением мощности лазера наблюдается постепенное снижение интенсивности ФЛ. (e) Сравнение спектров ФЛ до (черная линия) и после обработки LAMP при 60 мВт (зеленая линия), демонстрирующее снижение общей интенсивности и сдвиг пика в сторону красного. Спектральная деконволюция выявляет вклады триона A− (∼1,86 эВ, красный), нейтрального экситона A0 (∼1,89 эВ, фиолетовый) и экситона B (∼2,05 эВ, желтый). После обработки LAMP относительная интенсивность A− увеличивается, а A0 уменьшается, что указывает на повышенную концентрацию электронов из-за образования вакансий серы. На врезке показано прямое сравнение сдвигов пиков. (f) Рамановские спектры исходного монослоя MoS2 и образца, обработанного при 60 мВт. Характерные пики при ∼385,38 см−1 (внутриплоскостная мода E2g) и ∼404,18 см−1 (внеплоскостная мода A1g) демонстрируют снижение интенсивности, сдвиг в красную область и увеличение FWHM после обработки LAMP. Эти тенденции подтверждают образование вакансий серы и связанное с этим нарушение решетки.

Рис. 3. Анализ XPS однослойного MoS2 после обработки LAMP при различных мощностях лазера (0 мВт (до), 40 мВт, 50 мВт, 60 мВт; скорость сканирования 1 мкм/с). a. Спектры S 2p состоят из пиков собственного MoS2 (164,0, 162,9 эВ) и пиков дефектного MoS2 (163,5, 162,4 эВ), причем доля дефектной составляющей MoS2 увеличивается с ростом мощности лазера. b. Спектры Mo 3d состоят из пиков собственного MoS2 (233,3, 230,1 эВ), пиков дефектного MoS2 (232,8, 229,7 эВ) и пика S 2s (227,1 эВ). В отличие от спектров S 2p, доля дефектного компонента MoS2 в спектрах Mo 3d не демонстрирует значительного увеличения с ростом мощности лазера. c. Изменение соотношения S/Mo в монослойном MoS2 в зависимости от мощности лазера во время процесса LAMP. Соотношение S/Mo уменьшается с увеличением мощности лазера, что указывает на образование вакансий серы. d. Сдвиги энергий связи в спектрах S 2p и Mo 3d в зависимости от мощности лазера, демонстрирующие постепенный сдвиг в сторону более высоких энергий связи с увеличением интенсивности лазера.

Рис. 4. Электрическая настройка однослойных MoS2-полевых транзисторов посредством легирования n-типа, индуцированного процессом LAMP при различных мощностях лазера (0 мВт (до), 40 мВт, 50 мВт, 60 мВт). (a–d) Характеристики переноса однослойных MoS2-полевых транзисторов, измеренные при VDS = 1 В в зависимости от мощности лазера во время процесса LAMP. Для обеспечения воспроизводимости были собраны статистические данные по 20 устройствам для каждой мощности лазера. Жирная кривая представляет медианную характеристику переноса, а заштрихованная область указывает на ±1 стандартное отклонение по всем устройствам. В частности, (a) 0 мВт (до), (b) 40 мВт, (c) 50 мВт и (d) 60 мВт иллюстрируют характеристики переноса при различных мощностях лазера. Легирование N-типа становится очевидным с увеличением мощности лазера из-за образования вакансий серы. (e–h) Изменения полевой подвижности, порогового напряжения, концентрации носителей и сопротивления канала в зависимости от мощности лазера. (i–l) Характеристики выходного сигнала однослойных MoS2-полевых транзисторов после процесса LAMP при различных мощностях лазера. VGS варьировалось от −40 до 40 В с шагом 10 В, при этом (i) 0 мВт (до), (j) 40 мВт, (k) 50 мВт и (l) 60 мВт демонстрируют соответствующие выходные характеристики

Вакансии серы являются важными дефектами, изменяющими электрические характеристики полупроводника MoS₂. Исследовательская группа с помощью света точно создала эти дефекты только в нужных местах, что позволило реализовать стабильное n-типовое легирование без добавления химических примесей. Это имеет большое значение, поскольку позволяет точно контролировать дефекты при более низких энергетических условиях по сравнению с существующим методом прямого лазерного облучения.

Результаты экспериментов показали, что в однослойных транзисторах MoS₂, изготовленных с использованием технологии LAMP, ток во включенном состоянии (on-current) увеличился в 63 раза, подвижность носителей заряда в полевом эффекте (field-effect mobility) улучшилась в 51 раз, а плотность заряда - в 37 раз по сравнению с показателями до применения технологии. Кроме того, была продемонстрирована энергонезависимость (нелетучесть), при которой эффект легирования стабильно сохраняется в течение длительного времени, что подтвердило возможность применения данной технологии в реальных процессах производства полупроводниковых устройств.

«Ожидается, что эта технология, обеспечивающая одновременно высокое пространственное разрешение и низкое энергопотребление, найдет широкое применение в качестве ключевой технологии локального легирования не только в CMOS на основе 2D-полупроводников следующего поколения, но и в будущих процессах производства полупроводников в целом» - сказал профессор Квон Хёк Чжун.

Результаты данного исследования опубликованы в международном научном журнале «Small».

nbgkoo@heraldcorp.com

#южнаякорея #корея #политика #экономика #промышленность #технология #чипы #полупроводники #компьютеры #транзисторы #электроника #медицина #бизнес #финансы #общество #культура #искусство #азия