Una imagen de microscopio óptico mejorada de una estructura de barra Hall utilizada para caracterizar las propiedades del transistor para dispositivos fabricados con contactos transferidos ultralimpios. Las largas líneas radiales, hecho de oro depositado, conecte los contactos pequeños en el centro del dispositivo a las almohadillas de sonda grandes para facilitar las mediciones. Crédito:Min Sup Choi / Columbia Engineering
Semiconductores, que son los componentes básicos de los transistores, microprocesadores, láseres y LED, han impulsado avances en informática, memoria, comunicaciones, y tecnologías de iluminación desde mediados del siglo XX. Materiales bidimensionales recientemente descubiertos, que presentan muchas propiedades superlativas, tienen el potencial para hacer avanzar estas tecnologías, pero la creación de dispositivos 2-D con buenos contactos eléctricos y un rendimiento estable ha resultado ser un desafío.
Investigadores de Columbia Engineering informan que han demostrado un transistor casi ideal hecho de una pila de material bidimensional (2-D), con solo una capa semiconductora de dos átomos de espesor, al desarrollar un proceso de fabricación completamente limpio y sin daños. Su método muestra un rendimiento muy mejorado en comparación con los semiconductores 2-D fabricados con un proceso convencional. y podría proporcionar una plataforma escalable para crear dispositivos ultralimpios en el futuro. El estudio fue publicado hoy en Electrónica de la naturaleza .
"Fabricar dispositivos con materiales 2-D es un negocio complicado, "dice James Teherani, profesor asistente de ingeniería eléctrica. "Los dispositivos varían enormemente de una ejecución a otra y, a menudo, se degradan tan rápido que ves que el rendimiento disminuye mientras aún los estás midiendo".
Habiendo cansado de los resultados inconsistentes, El equipo de Teherani se propuso desarrollar una mejor manera de fabricar dispositivos estables. "Entonces, " el explica, "Decidimos separar el dispositivo prístino de los procesos de fabricación sucios que conducen a la variabilidad".
Como se muestra en este nuevo estudio, Teherani y sus colegas desarrollaron un proceso de nanofabricación ultralimpio que separa los pasos "complicados" de la fabricación, los que implican la metalización "sucia", productos químicos, y polímeros utilizados para formar conexiones eléctricas con el dispositivo, desde la capa semiconductora activa. Una vez que completan la complicada fabricación, podrían recoger los contactos y transferirlos a la capa limpia del dispositivo activo, preservando la integridad de ambas capas.
"La delgadez de estos semiconductores es una bendición y una maldición, ", dice Teherani." Si bien la delgadez permite que sean transparentes y se puedan recoger y colocar donde se desee, la delgadez también significa que hay un volumen casi nulo:el dispositivo es casi completamente de superficie. Debido a esto, cualquier suciedad o contaminación de la superficie realmente degradará un dispositivo ".
En la actualidad, la mayoría de los dispositivos no están encapsulados con una capa que proteja la superficie y los contactos de la contaminación durante la fabricación. El equipo de Teherani demostró que su método ahora no solo puede proteger la capa de semiconductores para que no vean una degradación del rendimiento con el tiempo, pero también puede producir dispositivos de alto rendimiento.
Teherani colaboró con Jim Hone, Profesor Wang Fong-Jen de Ingeniería Mecánica, haciendo uso de las instalaciones de fabricación y análisis de la Columbia Nano Initiative y el Centro de Ciencia e Ingeniería de Investigación de Materiales financiado por la Fundación Nacional de Ciencias en Columbia. El equipo hizo los contactos transferidos de metal incrustado en nitruro de boro hexagonal aislante (h-BN) fuera de una caja de guantes y luego transfirió en seco la capa de contacto al semiconductor 2-D, que se mantuvo impecable dentro de una caja de guantes de nitrógeno. Este proceso evita los daños inducidos por la metalización directa y, al mismo tiempo, proporciona encapsulación para proteger el dispositivo.
El proceso de fabricación de contactos transferidos que producen transistores casi ideales. Los contactos transferidos evitan la contaminación y los daños al semiconductor 2D que se producen durante la fabricación de contactos convencionales. Crédito:Min Sup Choi / Columbia Engineering
Una estructura de dispositivo de barra Hall (ver recuadro) está unida por cable a un portador de chip de 16 pines. El portador de chip permite una caracterización eléctrica extensa del dispositivo tanto a bajas temperaturas como a altos campos magnéticos. Crédito:Min Sup Choi / Columbia Engineering
Ahora que los investigadores han desarrollado un proceso repetible, están utilizando la plataforma para fabricar dispositivos que pueden pasar del laboratorio a problemas de ingeniería del mundo real.
"El desarrollo de dispositivos 2-D de alto rendimiento requiere avances en los materiales semiconductores con los que están hechos, "Agrega Teherani." Herramientas más precisas como las nuestras nos permitirán construir estructuras más complejas con una funcionalidad potencialmente mayor y un mejor rendimiento ".
El estudio se titula "Transferido a través de contactos como plataforma para transistores bidimensionales ideales".
