Langreichweitige Halbleiterdefekte kommen ins Blickfeld

Die direkte Visualisierung von Strukturdefekten in Halbleitern im großen Maßstab ist keine leichte Aufgabe. Die wichtigsten Mikroskopietechniken sind auf Sichtfelder von nur wenigen zehn Nanometern beschränkt und erfordern Ultrahochvakuum, ultratiefe Temperaturen, komplizierte Probenvorbereitung und komplexe Aufbauten, die sie für viele Aufgaben unpraktisch machen. Jetzt haben Forscher der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Peking eine einfache und nicht-invasive Alternative entwickelt: eine Nassätztechnik, von der sie behaupten, dass sie die Leistung elektronischer Geräte verbessern könnte, indem sie das Verständnis ihrer mechanischen, elektrischen und optischen Eigenschaften erleichtert.

Unter der Leitung von Guangyu Zhang dauert ebenfalls 3 Jahre. Das erste Jahr ist das sog. Pekinger Nationallabor für Physik der kondensierten Materie und dem Materiallabor Songshan-Lake in Dongguan entwickelte das Team die Methode als einfacheren Weg zur Visualisierung von Strukturdefekten in einem typischen zweidimensionalen (2D) Halbleiter, Monolayer-Molybdändisulfid (ML-MoS).₂). Bei der Arbeit verwendeten die Forscher einen Nassätzprozess, der die strukturellen Defekte im Halbleiter von Nano- auf Mikrogröße vergrößerte, wodurch die Defekte unter einem optischen Mikroskop oder Rasterkraftmikroskop (AFM) leichter zu beobachten waren. Der Ätzprozess umfasst das Auftragen einer Lösung von 2 Gew.-% Calciumhypochlorit auf das Material für 20 Sekunden bei Raumtemperatur, und da die Defekte relativ reaktiv gegenüber chemischen Behandlungen sind, betrifft der Prozess nur die defekten Stellen und lässt andere Bereiche des ML zurück. MoS₂ Gitter intakt.

Dreieckige Gruben und Gräben

Nachdem die Defekte größer gemacht wurden, sagten die Forscher, dass sie in verschiedenen Arten von ML-MoS 0D-Punktdefekte (wie Schwefelleerstellen) und 1D-Korngrenzen beobachten konnten, die sich in dreieckige Vertiefungen bzw. Gräben verwandelten₂. Diese waren mechanisch abgeblättertes MoS₂, CVD-gewachsenes ML-MoS₂, Einzeldomäne und CVD-gewachsenes ML-MoS₂ Filme mit kleiner und großer Körnung.

Die Anzahl der dreieckigen Vertiefungen erreichte nach etwa 200 Sekunden ihr Maximum. Laut Zhang und Kollegen weist dies darauf hin, dass der Ätzprozess durch Hypochloritionen an inhärenten Defektstellen beginnt und im Gegensatz zu bestehenden selektiven Ätztechniken keine neuen Defekte erzeugt. Die Zunahme der Anzahl von Gruben im Laufe der Zeit könnte auf die unterschiedliche chemische Reaktivität verschiedener Defekte zurückzuführen sein, sagen sie.

Allgemeine Technik zur direkten Visualisierung von Defekten

MoS₂ gehört zu einer Klasse von Materialien, die als 2D-Übergangsmetalldichalkogenide (2D-TMDs) bezeichnet werden, und die Forscher sagen, dass ihre Calciumhypochloritlösung auch zum Ätzen anderer Materialien dieser Art wie WSe verwendet werden kann₂, Mose₂, und WS₂. „Dies weist darauf hin, dass unsere Methode eine allgemeine Technik zur direkten Visualisierung von Defekten in 2D-TMDs ist und das Potenzial hat, auf andere 2D-Halbleiter angewendet zu werden“, sagt Zhang.

„Unsere einfache und nicht-invasive Methode kann die strukturellen Defekte in 2D-TMDs in großem Maßstab direkt sichtbar machen“, fügt er hinzu. Unter Verwendung dieser Ätztechnik untersuchte das Team die intrinsischen Defekte von vier Arten von ML-MoS₂Filme und fanden heraus, dass CVD-gewachsenes ML-MoS₂Einzeldomäne und ML–MoS₂Filme mit großer Korngröße haben die niedrigste Defektdichte. Dies ermöglichte den Forschern, die Beziehung zwischen strukturellen Defekten und Leistung zu verstehen.

„Die Möglichkeit, die strukturellen Defekte in 2D-Halbleitern auf diese Weise in großem Maßstab direkt sichtbar zu machen, ermöglicht es uns, die Probenqualität zu beurteilen, und könnte uns dabei helfen, ein qualitativ hochwertiges Waferwachstum zu erreichen“, sagt er Physik-Welt. Es ermöglicht auch, Beziehungen zwischen der Struktur des Materials und seiner Leistung zu identifizieren und so leistungsstarke 2D-Geräte für praktische Anwendungen zu entwickeln, fügt er hinzu.

Alle Einzelheiten der Forschung sind in veröffentlicht Chinesische Physik B.