Los científicos e ingenieros de UCLA han desarrollado un nuevo proceso para ensamblar dispositivos semiconductores. El avance podría conducir a transistores mucho más eficientes energéticamente para la electrónica y los chips de computadora, diodos para células solares y diodos emisores de luz, y otros dispositivos basados ​​en semiconductores.

Se publicó un artículo sobre la investigación en Naturaleza . El estudio fue dirigido por Xiangfeng Duan, profesor de química y bioquímica en el UCLA College, y Yu Huang, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la Escuela de Ingeniería Samueli de UCLA. El autor principal es Yuan Liu, becario postdoctoral de UCLA.

Su método une una capa semiconductora y una capa de electrodo metálico sin los defectos a nivel atómico que suelen ocurrir cuando se utilizan otros procesos para construir dispositivos basados ​​en semiconductores. Aunque esos defectos son minúsculos, pueden atrapar electrones que viajan entre el semiconductor y los electrodos metálicos adyacentes, lo que hace que los dispositivos sean menos eficientes de lo que podrían ser. Los electrodos en los dispositivos basados ​​en semiconductores son los que permiten que los electrones viajen hacia y desde el semiconductor; los electrones pueden transportar información informática o energía para alimentar un dispositivo.

Generalmente, Los electrodos metálicos en dispositivos semiconductores se construyen mediante un proceso llamado deposición física de vapor. En este proceso, los materiales metálicos se vaporizan en átomos o grupos atómicos que luego se condensan en el semiconductor, que puede ser de silicona u otro material similar. Los átomos de metal se adhieren al semiconductor a través de fuertes enlaces químicos, eventualmente formando una fina película de electrodos encima del semiconductor.

Un problema con ese proceso es que los átomos de metal suelen tener diferentes tamaños o formas de los átomos en los materiales semiconductores a los que se unen. Como resultado, las capas no pueden formar conexiones atómicas perfectas uno a uno, por eso se producen pequeñas lagunas o defectos.

"Es como intentar encajar una capa de bloques de la marca Lego en los de una marca de la competencia, "Huang dijo." Puedes forzar los dos bloques diferentes juntos, pero el ajuste no será perfecto. Con semiconductores, esos enlaces químicos imperfectos conducen a espacios donde las dos capas se unen, y esas lagunas podrían extenderse como defectos más allá de la interfaz y hacia los materiales ".

Esos defectos atrapan a los electrones que viajan a través de ellos, y los electrones necesitan energía extra para atravesar esos puntos.

El método UCLA evita la formación de defectos, uniendo una fina lámina de metal encima de la capa semiconductora mediante un sencillo proceso de laminación. Y en lugar de utilizar enlaces químicos para mantener unidos los dos componentes, el nuevo procedimiento utiliza fuerzas de van der Waals (conexiones electrostáticas débiles que se activan cuando los átomos están muy cerca unos de otros) para mantener las moléculas "unidas" entre sí. Las fuerzas de Van der Waals son más débiles que los enlaces químicos, pero son lo suficientemente fuertes como para mantener unidos los materiales debido a lo delgados que son:cada capa tiene un grosor de alrededor de 10 nanómetros o menos.

"Aunque son diferentes en su geometría, las dos capas se unen sin defectos y permanecen en su lugar debido a las fuerzas de van der Waals, "Dijo Huang.

La investigación es también el primer trabajo en validar una teoría científica que se originó en la década de 1930. La regla de Schottky-Mott propuso la cantidad mínima de energía que los electrones necesitan para viajar entre el metal y un semiconductor en condiciones ideales.

Usando la teoría, los ingenieros deberían poder seleccionar el metal que permite que los electrones se muevan a través de la unión entre el metal y el semiconductor con la menor cantidad de energía. Pero debido a esos pequeños defectos que siempre han ocurrido durante la fabricación, Los dispositivos semiconductores siempre han necesitado electrones con más energía que el mínimo teórico.

El equipo de UCLA es el primero en verificar la teoría en experimentos con diferentes combinaciones de metales y semiconductores. Debido a que los electrones no tuvieron que superar los defectos habituales, pudieron viajar con la mínima cantidad de energía predicha por la regla de Schottky-Mott.

"Nuestro estudio valida por primera vez estos límites fundamentales de las interfaces metal-semiconductor, "Dijo Duan." Muestra una nueva forma de integrar metales en otras superficies sin introducir defectos. En general, esto se puede aplicar a la fabricación de cualquier material delicado con interfaces que anteriormente estaban plagadas de defectos ".

Por ejemplo, además de contactos de electrodos en semiconductores, podría usarse para ensamblar componentes electrónicos a nanoescala ultraeficientes en energía, o dispositivos optoelectrónicos como células solares.

Los otros autores de UCLA del artículo son los estudiantes graduados Jian Guo, Enbo Zhu y Sung-Joon Lee, y el becario postdoctoral Mengning Ding. Investigadores de la Universidad de Hunan, Porcelana; Universidad de King Saud, Arabia Saudita; y Northrop Grumman Corporation también contribuyeron al estudio.

El estudio se basa en casi una década de trabajo de Duan y Huang sobre el uso de las fuerzas de van der Waals para integrar materiales. Un estudio que dirigieron publicado en Naturaleza en marzo de 2018, describieron su uso de las fuerzas de van der Waals para crear una nueva clase de materiales 2-D llamados superredes moleculares de cristales atómicos monocapa. En un estudio anterior, que fue publicado en Naturaleza en 2010, describieron su uso de las fuerzas de van der Waals para construir transistores de alta velocidad usando grafeno.