Langdistanse halvlederdefekter kommer til syne

Å direkte visualisere strukturelle defekter i halvledere i stor skala er ingen enkel oppgave. De viktigste mikroskopiteknikkene er begrenset til synsfelt som måler bare noen få titalls nanometer, og de krever ultrahøyt vakuum, ultralave temperaturer, komplisert prøveforberedelse og komplekse oppsett som gjør dem upraktiske for mange oppgaver. Nå har forskere ved det kinesiske vitenskapsakademiet i Beijing utviklet et enkelt og ikke-invasivt alternativ: en våtetsingsteknikk som de hevder kan forbedre ytelsen til elektroniske enheter ved å gjøre det lettere å forstå deres mekaniske, elektriske og optiske egenskaper.

Ledet av Guangyu Zhang av Beijing National Laboratory for Condensed Matter Physics og Songshan-Lake Materials Laboratory i Dongguan utviklet teamet metoden som en enklere måte å visualisere strukturelle defekter i en typisk todimensjonal (2D) halvleder, monolag molybdendisulfid (ML–MoS)₂). I arbeidet brukte forskerne en våtetsingsprosess som forstørret de strukturelle defektene i halvlederen fra nano- til mikrostørrelser, noe som gjorde defektene lettere å observere under et optisk mikroskop eller atomkraftmikroskop (AFM). Etseprosessen innebærer å påføre en løsning av 2 vektprosent kalsiumhypokloritt på materialet i 20 sekunder ved romtemperatur, og fordi defektene er relativt reaktive overfor kjemiske behandlinger, påvirker prosessen bare de defekte stedene, og etterlater andre områder av ML– MoS₂ gitteret intakt.

Trekantede groper og grøfter

Etter å ha gjort defektene større, sier forskerne at de var i stand til å observere 0D punktdefekter (som svovel ledige stillinger) og 1D korngrenser som forvandlet seg til henholdsvis trekantede groper og grøfter i forskjellige typer ML–MoS₂. Disse var mekanisk eksfoliert MoS₂, CVD-dyrket ML–MoS₂, enkelt domene og CVD-dyrket ML–MoS₂ filmer med liten og stor kornstørrelse.

Antall trekantede groper nådde sitt maksimum etter omtrent 200 sekunder. I følge Zhang og kolleger indikerer dette at etseprosessen med hypoklorittioner starter på iboende defektsteder og ikke genererer nye defekter, i motsetning til eksisterende selektive etseteknikker. Økningen i antall groper over tid kan stamme fra den forskjellige kjemiske reaktiviteten til forskjellige defekter, sier de.

Generell teknikk for direkte visualisering av defekter

ikke₂ tilhører en klasse av materialer som kalles 2D overgangsmetalldikalkogenider (2D–TMD), og forskerne sier at deres kalsiumhypoklorittløsning også kan brukes til å etse andre materialer av denne typen som WSe₂, MoSe₂, og WS₂. "Dette indikerer at metoden vår er en generell teknikk for direkte visualisering av defekter i 2D–TMD-er og har potensial til å brukes på andre 2D-halvledere," sier Zhang.

"Vår enkle og ikke-invasive metode kan direkte visualisere de strukturelle defektene i 2D–TMDs i stor skala," legger han til. Ved å bruke denne etseteknikken, undersøkte teamet de iboende defektene til fire typer ML–MoS₂filmer og fant ut at CVD-dyrket ML–MoS₂enkelt domene og ML–MoS₂filmer med stor kornstørrelse har lavest defekttetthet. Dette gjorde forskerne i stand til å forstå sammenhengen mellom strukturelle defekter og ytelse.

"Å være i stand til å direkte visualisering av strukturelle defekter i 2D-halvledere i stor skala på denne måten lar oss vurdere prøvekvaliteten og kan hjelpe oss med å veilede oss mot høykvalitets wafervekst," forteller han Fysikkens verden. Det gjør det også mulig å identifisere sammenhenger mellom materialets struktur og dets ytelse, og dermed utvikle høyytelses 2D-enheter mot praktiske applikasjoner, legger han til.

Alle detaljer om forskningen er publisert i Kinesisk fysikk B.