研究者らは次世代の2D半導体を悩ませている「ミラーツイン」欠陥を解決した可能性がある

2023 年 8 月 4 日

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ジェイミー・オバーディック著、ペンシルベニア州立大学

次世代の 2D 半導体材料は、鏡に映ったものを好みません。 原子レベルで薄いエレクトロニクス用の半導体材料の単層ナノシートを作製する現在の合成アプローチでは、材料がサファイアのような単結晶基板上に堆積されるときに、特有の「ミラーツイン」欠陥が発生します。 合成されたナノシートには、鏡として機能する粒界が含まれており、各面の原子の配置が互いに反対に反射して組織化されています。

ペンシルバニア州の二次元結晶コンソーシアム材料イノベーションプラットフォーム（2DCC-MIP）の研究者とその協力者らによると、これは問題だという。 電子は境界に達すると散乱し、トランジスタなどのデバイスの性能が低下します。 これが、モノのインターネットや人工知能などのアプリケーション向けの次世代エレクトロニクスの進歩にとってボトルネックになっている、と研究者らは述べた。 しかし現在、研究チームはこの欠陥を修正する解決策を考え出したかもしれません。 彼らはNature Nanotechnologyに研究を発表しました。

筆頭著者で2DCC-MIP所長のジョーン・レッドウィング氏によると、この研究は他の研究者がミラーツイン欠陥を減らすことができるため、半導体研究に大きな影響を与える可能性があり、特にこの分野への注目が高まり、最後に承認されたCHIPSと科学法による資金提供も受けているという。年。 この法案の認可により、半導体技術の国内生産と開発に対する米国の取り組みを促進するための資金やその他のリソースが増加した。

レッドウィング氏によると、厚さわずか原子3個の二セレン化タングステンの単層シートは、電流の流れを制御し操作するための非常に効果的な原子レベルの薄い半導体となるだろうという。 ナノシートを作製するために、研究者らは有機金属化学気相成長法（MOCVD）を使用する。これは、基板（この場合はサファイアウェーハ）上に極薄の単結晶層を堆積するために使用される半導体製造技術である。

MOCVDは他の材料の合成にも使用されているが、2DCC-MIPの研究者らは二セレン化タングステンなどの2D半導体の合成にMOCVDを使用する先駆者となったとレッドウィング氏は述べた。 二セレン化タングステンは、原子 3 個の厚さの遷移金属ジカルコゲニドと呼ばれる材料のクラスに属し、タングステン金属が非金属セレン化原子の間に挟まれており、高度なエレクトロニクスにとって望ましい半導体特性を示します。

「高度な結晶完成度を備えた単層シートを実現するために、MOCVDによって二セレン化タングステン結晶をウェーハ表面に堆積させる際に、サファイアウェーハをテンプレートとして使用し、ウェーハ表面に二セレン化タングステン結晶を堆積させました」と、材料学の著名な教授でもあるレッドウィング氏は述べた。ペンシルベニア州立大学の科学と工学と電気工学の専攻。 「しかし、二セレン化タングステンの結晶は、サファイア基板上で反対方向に整列する可能性があります。逆向きの結晶のサイズが大きくなるにつれて、最終的にはサファイア表面で互いに会合して、鏡面双晶境界を形成します。」

この問題を解決し、二セレン化タングステン結晶の大部分をサファイア結晶と一致させるために、研究者らはサファイア表面の「段差」を利用しました。 ウェーハを構成するサファイア単結晶は物理学的に非常に完璧です。 ただし、原子レベルでは完全に平坦ではありません。 表面には原子 1 ～ 2 個分の高さのステップがあり、各ステップの間には平坦な領域があります。