Halvledardefekter med lång räckvidd kommer till synen

Att direkt visualisera strukturella defekter i halvledare i stor skala är ingen lätt uppgift. De huvudsakliga mikroskopiteknikerna är begränsade till synfält som bara mäter några tiotals nanometer, och de kräver ultrahögt vakuum, ultralåga temperaturer, komplicerad provberedning och komplexa inställningar som gör dem opraktiska för många uppgifter. Nu har forskare vid den kinesiska vetenskapsakademin i Peking utvecklat ett enkelt och icke-invasivt alternativ: en våtetsningsteknik som de hävdar skulle kunna förbättra prestanda hos elektroniska enheter genom att göra det lättare att förstå deras mekaniska, elektriska och optiska egenskaper.

Ledd av Guangyu Zhang av Beijing National Laboratory for Condensed Matter Physics och Songshan-Lake Materials Laboratory i Dongguan utvecklade teamet metoden som ett enklare sätt att visualisera strukturella defekter i en typisk tvådimensionell (2D) halvledare, monolager molybdendisulfid (ML–MoS)₂). I arbetet använde forskarna en våtetsningsprocess som förstorade de strukturella defekterna i halvledaren från nano- till mikrostorlekar, vilket gjorde defekterna lättare att observera under ett optiskt mikroskop eller atomkraftmikroskop (AFM). Etsningsprocessen innebär att en lösning av 2 viktprocent kalciumhypoklorit appliceras på materialet i 20 sekunder vid rumstemperatur, och eftersom defekterna är relativt reaktiva mot kemiska behandlingar, påverkar processen endast de defekta platserna och lämnar andra områden i ML– MoS₂ gallret intakt.

Triangulära gropar och diken

Efter att ha gjort defekterna större säger forskarna att de kunde observera 0D-punktdefekter (som svavelvakanser) och 1D-korngränser som omvandlades till triangulära gropar respektive diken i olika typer av ML–MoS₂. Dessa var mekaniskt exfolierade MoS₂, CVD-odlad ML–MoS₂, enkel domän och CVD-odlad ML–MoS₂ filmer med liten och stor kornstorlek.

Antalet triangulära gropar nådde sitt maximum efter ungefär 200 sekunder. Enligt Zhang och kollegor indikerar detta att etsningsprocessen med hypokloritjoner initieras vid inneboende defektplatser och inte genererar nya defekter, till skillnad från befintliga selektiva etsningstekniker. Ökningen av antalet gropar över tid kan bero på olika kemiska reaktivitet hos olika defekter, säger de.

Allmän teknik för att direkt visualisera defekter

inte₂ tillhör en klass av material som kallas 2D transition metal dichalcogenides (2D–TMDs), och forskarna säger att deras kalciumhypokloritlösning också kan användas för att etsa andra material av denna typ som WSe₂, MoSe₂och WS₂. "Detta indikerar att vår metod är en generell teknik för att direkt visualisera defekter i 2D–TMD och har potential att tillämpas på andra 2D-halvledare," säger Zhang.

"Vår enkla och icke-invasiva metod kan direkt visualisera de strukturella defekterna i 2D-TMDs i stor skala," tillägger han. Med hjälp av denna etsningsteknik undersökte teamet de inneboende defekterna hos fyra typer av ML–MoS₂filmer och fann att CVD-odlat ML–MoS₂enkel domän och ML–MoS₂filmer med stor kornstorlek har lägst defektdensitet. Detta gjorde det möjligt för forskarna att förstå sambandet mellan strukturella defekter och prestanda.

"Att kunna rikta visualisering av de strukturella defekterna i 2D-halvledare i stor skala på detta sätt gör att vi kan bedöma provkvaliteten och kan hjälpa oss att vägleda oss mot högkvalitativ wafertillväxt", säger han Fysikvärlden. Det gör det också möjligt att identifiera samband mellan materialets struktur och dess prestanda, och därmed att utveckla högpresterande 2D-enheter mot praktiska tillämpningar, tillägger han.

Fullständig information om forskningen publiceras i Kinesisk fysik B.