新しい技術は、製造中に通常形成される微視的な欠陥を除去することにより、電子機器のエネルギー効率を改善することができます。
UCLA科学者とエンジニアは、半導体デバイスを組み立てるための新しいプロセスを開発しました。この進歩により、エレクトロニクスとコンピューターチップのエネルギー効率の高いトランジスタ、太陽電池および発光ダイオードのダイオード、およびその他の半導体ベースのデバイスにつながる可能性があります。
研究に関する論文が自然に掲載されました。この研究は、UCLAカレッジの化学および生化学の教授であるXiangfeng Duanと、UCLA Samueli School of Engineeringの材料科学と工学の教授であるYu Huangが主導しました。主著者は、UCLAのポスドク研究員である元Liです。
それらの方法は、半導体レベルの欠陥を使用して、他のプロセスが半導体ベースのデバイスを構築するために他のプロセスを使用したときに発生する半導体層と金属電極層を結合します。これらの欠陥は非常に極小ですが、半導体と隣接する金属電極の間を移動する電子を閉じ込めることができ、デバイスの効率が可能になります。半導体ベースのデバイスの電極は、電子が半導体との間を移動できるようにするものです。電子は、コンピューティング情報またはエネルギーを運び、デバイスに電力を供給できます。
一般に、半導体デバイスの金属電極は、物理蒸気堆積と呼ばれるプロセスを使用して構築されます。このプロセスでは、金属材料は原子または原子クラスターに蒸発し、その後、半導体に凝縮します。これは、シリコンまたは別の同様の材料である可能性があります。金属原子は強力な化学結合を介して半導体に固執し、最終的に半導体の上に電極の薄膜を形成します。
そのプロセスの問題の1つは、金属原子が通常、結合している半導体材料の原子とは異なるサイズまたは形状であることです。その結果、レイヤーは完全な1対1の原子接続を形成することはできません。そのため、小さなギャップや欠陥が発生します。
「レゴブランドブロックの1層を競合他社ブランドのブロックに適合させようとするようなものです」とHuang氏は言います。 「2つの異なるブロックを一緒に強制することができますが、フィット感は完璧ではありません。半導体、これらの不完全な化学結合は、2つの層が結合するギャップにつながり、それらのギャップは、インターフェースを超えて材料に欠陥として拡張することができます。」
これらの欠陥は、それらを横切って走行している電子を閉じ込め、電子はそれらのスポットを通過するために余分なエネルギーを必要とします。
UCLAメソッドは、単純なラミネーションプロセスを通じて半導体層の上に薄い金属シートを結合することにより、欠陥が形成されるのを防ぎます。また、化学結合を使用して2つのコンポーネントを一緒に保持する代わりに、新しい手順では、原子が互いに非常に近いときに活性化される弱い静電接続を使用して、分子を互いに「付着」し続けます。ファンデルワールスの力は化学結合よりも弱いが、それらがどれほど薄いかのために材料を一緒に保持するのに十分な強さである - 各層は厚さ約10ナノメートル以下です。
（ナノメートルは1メートルの10億分の1です。比較のために、人間の髪は厚さ約100,000ナノメートルです。）
「幾何学が異なっていますが、2つの層は欠陥なしで結合し、ファンデルワールスの力のために所定の位置にとどまります」とHuang氏は言いました。
この研究は、1930年代に生まれた科学理論を検証する最初の研究でもあります。 Schottky-Mottルールは、理想的な条件下で金属と半導体の間を移動するために必要なエネルギー電子の最小量を提案しました。
理論を使用して、エンジニアは、電子が最小のエネルギーで金属と半導体の間の接合部を横切ることができる金属を選択できるはずです。しかし、製造中に常に発生してきた小さな欠陥のため、半導体デバイスは常に理論的最小よりも多くのエネルギーを持つ電子を必要としていました。
UCLAチームは、金属と半導体のさまざまな組み合わせを使用した実験で理論を検証した最初のチームです。電子は通常の欠陥を克服する必要がなかったため、Schottky-Mottルールによって予測されるエネルギーの最小量で移動することができました。
「当社の研究は、これらの金属と科学性伝導器界面の基本的な限界を初めて検証しています」とDuan氏は言います。 「それは、欠陥を導入することなく他の表面に金属を統合する新しい方法を示しています。広く、これは、以前に欠陥に悩まされていた界面を備えた繊細な材料の製造に適用できます。」
たとえば、半導体上の電極接点に加えて、超エネルギー効率の高い組み立てに使用できます。ナノスケール電子成分、または太陽電池などの光電子デバイス。
論文の他のUCLAの著者は、大学院生のJian Guo、Enbo Zhu、Sung-Joon Lee、およびポスドク学者Mengning Dingです。中国の湖南大学の研究者。サウジアラビアのキングサウド大学。また、Northrop Grumman Corporationもこの研究に貢献しました。
この研究は、ヴァンデルワールスの力を使用して材料を統合することで、DuanとHuangによる10年近くの作業から構築されています。 2018年3月に自然界で掲載された彼らが率いた研究は、モノライヤー原子結晶分子超格子と呼ばれる2D材料の新しいクラスを作成するためのファンデルワールスの力の使用について説明しました。 2010年にNatureで公開された以前の研究では、彼らはファンデルワールスの力の使用を使用して高速トランジスタを構築することを説明しました。グラフェン。
参照：「ヴァンデルワールスメタル - セミュマクタージャンクションのショットキーとモットの制限に近づく」Yuan Liu、Jian Guo、Enbo Zhu、Lei Liao、Sung-Joon Lee、Mengning Ding、Imran Shakir、Vincent Gambin、Yu Huang、Xiangfeng Duan、5月16日自然。
2：10.1038/s41586-018-0129-8
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