Bits&Chips

De soepelste overgang tussen metaal en halfgeleider ooit

19 juni 2018 

Eindelijk zijn er elektrische overgangen tussen metalen en halfgeleiders gemaakt die zich netjes aan de regels houden.

Het is niet moeilijk om uit te rekenen welke barrière een elektron moet nemen als het de oversteek wil wagen van een metaal naar een halfgeleider. De Schottky-Mott-regel stelt dat deze wordt bepaald door hoe de energieniveaus in beide materialen ten opzichte van elkaar zijn gepositioneerd. Deze fysica staat niet ter discussie, maar is in de praktijk waardeloos: er worden altijd andere waardes gemeten dan de theorie voorspelt.

Dat komt doordat de Schottky-Mott-regel uitgaat van messcherpe overgangen met perfecte atomaire ordening. In werkelijkheid gebeuren er aan grensvlakken meestal rare dingen. Vervormde kristalstructuren, materiaalstress, defecten en ongebruikelijke chemische bindingen zorgen ervoor dat energieniveaus en bandstructuur aan de randen heel anders zijn dan in de bulk - en onvoorspelbaar bovendien.

Het is een probleem waar de halfgeleiderwereld maar al te bekend mee is. In transistoren spelen metaal-halfgeleidersovergangen een cruciale rol. Ze kunnen bijvoorbeeld de weerstand verhogen, waardoor chips meer energie verbruiken. Het kost veel tijd en geld om de juiste materiaalcombinaties en depositierecepten uit te dokteren.

Ook de potentiële opvolgers van silicium worden geplaagd door contactweerstand. Elektronen zoeven vrijwel ongehinderd door grafeenachtige 2d-materialen, om bij de overgang naar metalen elektrodes op een muur te knallen. Willen 2d-materialen ooit hun belofte inlossen, dan moet die muur verdwijnen.

Dat is precies wat onderzoekers van de Los Angeles-afdeling van de University of California hebben gedaan. In Nature laten zij zien dat perfecte overgangen die de Schottky-Mott-regel volgen geen sciencefiction zijn.

Illustratie: UCLA

Waxstrip

Als halfgeleider gebruikten de Californiërs molybdeensulfide. Daarop legden ze metalen elektrodes op twee verschillende manieren: de ‘traditionele’ manier met fysische dampdepositie en de minder gebruikelijke methode waarbij voorgevormde elektrodes op de halfgeleider worden gelamineerd.

Met dampdepositie knallen de metaalatomen met hoge snelheid op de halfgeleider. Dat laat zijn sporen na, zo bleek na analyse. Her en der waren defecten en verstoringen zichtbaar. Op sommige plekken bleek het metaal het molybdeensulfide te hebben doorboord. Het gevolg is dat beide materialen onlosmakelijk aan elkaar zijn geklonken: bij elke poging om de elektrodes er weer af te pellen, werd het molybdeensulfide er onvermijdelijk mee afgetrokken - als haren met een waxstrip.

De verbinding bleek daarentegen reversibel als de elektrodes als één stuk op de halfgeleider werden gelamineerd. De atomaire ordening aan de oppervlakken bleef onverstoord en er werden geen chemische bindingen gelegd. Slechts met relatief zwakke Van der Waals-krachten plakken de materialen aan elkaar.

De Schottky-Mott-regel gaat op als metalen voorzichtig op de halfgeleider worden gelamineerd (rode lijn), terwijl de aard van het metaal nauwelijks iets uitmaakt als ze met fysische dampdepositie wordt aangebracht (zwarte lijn). Bron: Nature

Ook elektrisch verschilden de twee overgangen als dag en nacht. Het Schottky-Mott-model voorspelt dat een metaal-halfgeleiderbarrière lineair en met helling 1 afhangt van de uittreearbeid van het metaal. Dat blijkt heel aardig te kloppen voor vijf op molybdeensulfide gelamineerde metalen (zie figuur). Als dezelfde metalen worden gedeponeerd heeft de uittreearbeid daarentegen slechts marginale invloed.

‘Onze studie valideert niet alleen de fundamentele limiet van ideale metaal-halfgeleiderovergangen, maar wijst ook de weg naar een zeer efficiënte en schadevrije strategie voor metaalintegratie, die gebruikt zou kunnen worden in high-performance elektronica en opto-elektronica’, besluiten de onderzoekers hun artikel.

Abonneer direct op onze nieuwsbrief

abonneren

Digital signal processing

1 oktober - 15 oktober

Eindhoven

C and C++ secure coding

9 oktober - 11 oktober

Eindhoven