Un'immagine migliorata al microscopio ottico di una struttura Hall-bar utilizzata per caratterizzare le proprietà dei transistor per dispositivi realizzati con contatti trasferiti ultrapuliti. Le lunghe linee radiali, fatto di oro depositato, collegare i piccoli contatti al centro del dispositivo a grandi pad sonda per misurazioni facili. Credito:Min Sup Choi/Columbia Engineering
semiconduttori, quali sono gli elementi costitutivi di base dei transistor, microprocessori, laser, e LED, hanno guidato i progressi nel campo dell'informatica, memoria, comunicazioni, e tecnologie di illuminazione dalla metà del XX secolo. Materiali bidimensionali scoperti di recente, che presentano molte proprietà superlative, hanno il potenziale per far progredire queste tecnologie, ma la creazione di dispositivi 2-D con buoni contatti elettrici e prestazioni stabili si è rivelata impegnativa.
I ricercatori della Columbia Engineering riferiscono di aver dimostrato un transistor quasi ideale realizzato con uno stack di materiale bidimensionale (2-D), con solo uno strato semiconduttore dello spessore di due atomi, sviluppando un processo di fabbricazione completamente pulito e senza danni. Il loro metodo mostra prestazioni notevolmente migliorate rispetto ai semiconduttori 2-D fabbricati con un processo convenzionale, e potrebbe fornire una piattaforma scalabile per la creazione di dispositivi ultra-puliti in futuro. Lo studio è stato pubblicato oggi in Elettronica della natura .
"Realizzare dispositivi con materiali 2D è un affare complicato, "dice James Teherani, assistente professore di ingegneria elettrica. "I dispositivi variano enormemente da un'esecuzione all'altra e spesso si degradano così velocemente che le prestazioni diminuiscono mentre le stai ancora misurando".
Essendo stanco dei risultati inconsistenti, Il team di Teherani ha deciso di sviluppare un modo migliore per realizzare dispositivi stabili. "Così, " lui spiega, "abbiamo deciso di separare il dispositivo incontaminato dai processi di fabbricazione sporchi che portano alla variabilità".
Come mostrato in questo nuovo studio, Teherani e i suoi colleghi hanno sviluppato una procedura in due fasi, processo di nanofabbricazione ultra-pulito che separa le fasi "disordinate" della fabbricazione, quelle che implicano la metallizzazione "sporca", sostanze chimiche, e polimeri utilizzati per formare connessioni elettriche al dispositivo, dallo strato di semiconduttore attivo. Una volta completata la disordinata fabbricazione, potrebbero prelevare i contatti e trasferirli sul livello del dispositivo attivo pulito, preservando l'integrità di entrambi gli strati.
"La magrezza di questi semiconduttori è una benedizione e una maledizione, "dice Teherani. "Mentre la sottigliezza permette loro di essere trasparenti e di essere raccolti e posizionati dove vuoi tu, la sottigliezza significa anche che c'è quasi zero volume:il dispositivo è quasi interamente in superficie. A causa di ciò, qualsiasi sporcizia superficiale o contaminazione degraderà davvero un dispositivo."
Attualmente, la maggior parte dei dispositivi non è incapsulata con uno strato che protegge la superficie e i contatti dalla contaminazione durante la fabbricazione. Il team di Teherani ha dimostrato che il loro metodo ora può non solo proteggere lo strato di semiconduttore in modo da non vedere un degrado delle prestazioni nel tempo, ma può anche produrre dispositivi ad alte prestazioni.
Teherani ha collaborato con Jim Hone, Wang Fong-Jen Professore di Ingegneria Meccanica, avvalendosi delle strutture di fabbricazione e analisi della Columbia Nano Initiative e del Materials Research Science and Engineering Center della Columbia, finanziato dalla National Science Foundation. Il team ha realizzato i contatti trasferiti da metallo incorporato in nitruro di boro esagonale isolante (h-BN) all'esterno di un vano portaoggetti e quindi ha trasferito a secco lo strato di contatto sul semiconduttore 2-D, che è stato mantenuto incontaminato all'interno di un vano portaoggetti di azoto. Questo processo previene i danni indotti dalla metallizzazione diretta fornendo contemporaneamente l'incapsulamento per proteggere il dispositivo.
Il processo di fabbricazione per contatti trasferiti che producono transistor quasi ideali. I contatti trasferiti prevengono la contaminazione e i danni al semiconduttore 2D che si verificano durante la fabbricazione dei contatti convenzionali. Credito:Min Sup Choi/Columbia Engineering
Una struttura del dispositivo Hall-bar (vedi riquadro) è collegata tramite filo a un chip-carrier a 16 pin. Il chip-carrier consente un'ampia caratterizzazione elettrica del dispositivo sia a basse temperature che a campi magnetici elevati. Credito:Min Sup Choi/Columbia Engineering
Ora che i ricercatori hanno sviluppato una stabile, processo ripetibile, stanno utilizzando la piattaforma per realizzare dispositivi che possono passare dal laboratorio a problemi di ingegneria del mondo reale.
"Lo sviluppo di dispositivi 2-D ad alte prestazioni richiede progressi nei materiali semiconduttori da cui sono realizzati, " aggiunge Teherani. "Strumenti più precisi come i nostri ci consentiranno di costruire strutture più complesse con funzionalità potenzialmente maggiori e prestazioni migliori".
Lo studio è intitolato "Trasferimento tramite contatti come piattaforma per transistor bidimensionali ideali".
