(Arriba) Esquema del proceso de generación de nitrógeno atómico con un plasma de RF. (Abajo) Vista en sección transversal de FET de WS2 monocapa con compuerta inferior y pocas capas con contactos de Ti / Au. Crédito:Sociedad Química Estadounidense.
Una técnica de fabricación simple y no destructiva podría ayudar a la fabricación de películas bidimensionales (2-D) con mayor eficiencia energética necesarias para transformar la industria electrónica.
Atómicamente delgado Dicalcogenuros de metales de transición 2-D (TMDC) como el disulfuro de tungsteno (WS 2 ) exhiben un físico notable, propiedades electrónicas y optoelectrónicas, como la flexibilidad, transparencia y características semiconductoras.
Aunque ha habido un progreso significativo en la fabricación de TMDC 2-D, la naturaleza ultrafina de tales semiconductores 2-D excluye el uso de técnicas como la implantación de iones, con posterior recocido de activación, para introducir y retener dopantes dentro de TMDC de una o pocas capas.
Ahora, Dongzhi Chi y sus colegas del Instituto de Investigación e Ingeniería de Materiales y el Instituto de Computación de Alto Rendimiento en A * STAR, en colaboración con investigadores de la Universidad Nacional de Singapur, han desarrollado una técnica innovadora que utiliza átomos de nitrógeno (N) altamente reactivos para controlar los dopantes dentro de las películas de WS 2 a escala atómica, y promete un método confiable para el dopaje de TMDC 2-D.
"La incapacidad [actual] de dopar eficazmente los TMDC 2-D obstaculiza el desarrollo de dispositivos energéticamente eficientes como transistores de efecto de campo que utilizan tecnologías de fabricación empleadas actualmente en la industria de los semiconductores, "dice Chi.
TMDC como WS 2 son típicamente semiconductores de tipo n y actualmente no existen métodos confiables para fabricar TMDC atómicamente delgados que sean de tipo p. Esto es particularmente molesto, ya que significa que los dispositivos TMDC 2-D, por necesidad, se basan principalmente en CMOS-FET de tipo n, transistores de efecto de campo (FET) fabricados utilizando tecnologías complementarias de semiconductores de óxido de metal (CMOS). La falta de una forma eficaz de fabricar CMOS-FET 2-D basados en TMDC de tipo p limita la creación de dispositivos electrónicos de próxima generación, dispositivos optoelectrónicos, y tecnologías de energía limpia.
Por tanto, los investigadores consideraron que el nitrógeno atómico no se parecía a las técnicas de dopaje actuales, como la implantación de iones o la implantación de plasma, Puede producir un dopaje de tipo p efectivo en CMOS-FET basados en TMDC 2-D sin causar daños estructurales notables.
Para producir N atómico, utilizaron un plasma para generar N atómico e ionizado en una cavidad de cerámica y aplicaron un campo eléctrico para retener los iones de nitrógeno, permitiendo que los átomos de N reaccionen con una muestra de WS 2 calentado a 300 grados C.
La alta actividad química y la baja energía cinética del N introdujeron modificaciones en la estructura a una o pocas capas de profundidad en el WS. 2 reemplazando átomos de azufre y formando enlaces químicos W-N. Esto resultó ser ideal para controlar los dopantes a escala atómica.
"A diferencia de otros métodos de dopaje para TMDC, como la quimisorción molecular, fisisorción y dopaje con plasma de nitrógeno:nuestro método introduce nitrógeno en los sitios de sustitución del azufre reemplazando el azufre con nitrógeno, sin causar daño a las capas de TMDC, "dice Chi.
"Nuestro trabajo podría ayudar a acelerar el desarrollo de tecnologías de optoelectrónica y electrónica de próxima generación, como circuitos lógicos de potencia ultrabaja y sensores inteligentes, basado en TMDC semiconductores 2-D, "dice Chi.
