Gli scienziati e gli ingegneri dell'UCLA hanno sviluppato un nuovo processo per l'assemblaggio di dispositivi a semiconduttore. Il progresso potrebbe portare a transistor molto più efficienti dal punto di vista energetico per l'elettronica e i chip per computer, diodi per celle solari e diodi emettitori di luce, e altri dispositivi basati su semiconduttori.

Un articolo sulla ricerca è stato pubblicato in Natura . Lo studio è stato condotto da Xiangfeng Duan, professore di chimica e biochimica all'UCLA College, e Yu Huang, docente di scienza e ingegneria dei materiali alla UCLA Samueli School of Engineering. L'autore principale è Yuan Liu, un borsista post-dottorato dell'UCLA.

Il loro metodo unisce uno strato di semiconduttore e uno strato di elettrodo metallico senza i difetti a livello atomico che si verificano in genere quando vengono utilizzati altri processi per costruire dispositivi basati su semiconduttori. Anche se questi difetti sono minuscoli, possono intrappolare gli elettroni che viaggiano tra il semiconduttore e gli elettrodi metallici adiacenti, il che rende i dispositivi meno efficienti di quanto potrebbero essere. Gli elettrodi nei dispositivi a semiconduttore sono ciò che consente agli elettroni di viaggiare da e verso il semiconduttore; gli elettroni possono trasportare informazioni di calcolo o energia per alimentare un dispositivo.

In genere, gli elettrodi metallici nei dispositivi a semiconduttore sono costruiti utilizzando un processo chiamato deposizione fisica da vapore. In questo processo, i materiali metallici vengono vaporizzati in atomi o cluster atomici che poi si condensano sul semiconduttore, che può essere silicio o altro materiale simile. Gli atomi di metallo si attaccano al semiconduttore attraverso forti legami chimici, alla fine formando una sottile pellicola di elettrodi sopra il semiconduttore.

Un problema con quel processo è che gli atomi di metallo sono solitamente di dimensioni o forme diverse dagli atomi nei materiali semiconduttori a cui si legano. Di conseguenza, gli strati non possono formare perfette connessioni atomiche uno a uno, ecco perché si verificano piccole lacune o difetti.

"È come cercare di adattare uno strato di blocchi del marchio Lego a quelli di un marchio concorrente, " Huang ha detto. "Puoi forzare i due diversi blocchi insieme, ma la vestibilità non sarà perfetta. Con i semiconduttori, quei legami chimici imperfetti portano a spazi dove i due strati si uniscono, e quelle lacune potrebbero estendersi come difetti oltre l'interfaccia e nei materiali".

Quei difetti intrappolano gli elettroni che li attraversano, e gli elettroni hanno bisogno di energia extra per attraversare quei punti.

Il metodo UCLA impedisce la formazione dei difetti, unendo un sottile foglio di metallo sopra lo strato semiconduttore attraverso un semplice processo di laminazione. E invece di usare legami chimici per tenere insieme i due componenti, la nuova procedura utilizza le forze di van der Waals, connessioni elettrostatiche deboli che si attivano quando gli atomi sono molto vicini l'uno all'altro, per mantenere le molecole "attaccate" l'una all'altra. Le forze di Van der Waals sono più deboli dei legami chimici, ma sono abbastanza forti da tenere insieme i materiali a causa di quanto sono sottili:ogni strato ha uno spessore di circa 10 nanometri o meno.

"Anche se sono diversi nella loro geometria, i due strati si uniscono senza difetti e rimangono in posizione grazie alle forze di van der Waals, "Ha detto Huang.

La ricerca è anche il primo lavoro a convalidare una teoria scientifica nata negli anni '30. La regola di Schottky-Mott proponeva la quantità minima di energia necessaria agli elettroni per viaggiare tra il metallo e un semiconduttore in condizioni ideali.

Usando la teoria, gli ingegneri dovrebbero essere in grado di selezionare il metallo che consente agli elettroni di spostarsi attraverso la giunzione tra metallo e semiconduttore con la minima quantità di energia. Ma a causa di quei piccoli difetti che si sono sempre verificati durante la produzione, i dispositivi a semiconduttore hanno sempre avuto bisogno di elettroni con più energia del minimo teorico.

Il team dell'UCLA è il primo a verificare la teoria in esperimenti con diverse combinazioni di metalli e semiconduttori. Poiché gli elettroni non dovevano superare i soliti difetti, erano in grado di viaggiare con la minima quantità di energia prevista dalla regola di Schottky-Mott.

"Il nostro studio per la prima volta convalida questi limiti fondamentali delle interfacce metallo-semiconduttore, " Ha detto Duan. "Mostra un nuovo modo di integrare i metalli su altre superfici senza introdurre difetti. A grandi linee, questo può essere applicato alla fabbricazione di qualsiasi materiale delicato con interfacce precedentemente afflitte da difetti".

Per esempio, oltre ai contatti degli elettrodi sui semiconduttori, potrebbe essere utilizzato per assemblare componenti elettronici su nanoscala ultra-efficienti dal punto di vista energetico, o dispositivi optoelettronici come le celle solari.

Gli altri autori dell'UCLA del documento sono studenti laureati Jian Guo, Enbo Zhu e Sung-Joon Lee, e lo studioso postdottorato Mengning Ding. Ricercatori dell'Università di Hunan, Cina; Università King Saud, Arabia Saudita; e Northrop Grumman Corporation hanno contribuito allo studio.

Lo studio si basa su quasi un decennio di lavoro di Duan e Huang sull'utilizzo delle forze di van der Waals per integrare i materiali. Uno studio che hanno condotto, pubblicato in Natura a marzo 2018, hanno descritto il loro uso delle forze di van der Waals per creare una nuova classe di materiali 2-D chiamati superreticoli molecolari di cristalli atomici monostrato. In uno studio precedente, che è stato pubblicato in Natura nel 2010, hanno descritto il loro uso delle forze di van der Waals per costruire transistor ad alta velocità usando il grafene.