鍺，是一種常見(jiàn)的元素半導(dǎo)體材料，是早期各種電子器件的主要選材，但之后幾乎全部被硅所替代。鍺擁有比硅高三倍的電荷載流子遷移率，因此，近些年，其在電子器件中的應(yīng)用又重新多了起來(lái)。
由于鍺只能在昂貴的單晶襯底上進(jìn)行生長(zhǎng)，這給鍺的大規(guī)模應(yīng)用帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。為解決這一問(wèn)題，美國(guó)倫斯勒理工學(xué)院的研究人員開(kāi)發(fā)出一種全新的范德華外延法，首次實(shí)現(xiàn)了在云母基片上的鍺外延，有望應(yīng)用于先進(jìn)集成電路和高效太陽(yáng)電池的制造。倫斯勒理工學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)是全球首個(gè)在云母基片上實(shí)現(xiàn)元素半導(dǎo)體材料無(wú)應(yīng)力范德華外延的研究團(tuán)隊(duì)。
外延是一種常見(jiàn)的半導(dǎo)體制造工藝，用來(lái)實(shí)現(xiàn)在晶體襯底上生長(zhǎng)結(jié)晶薄膜層。如果所要生長(zhǎng)的薄膜材料與襯底材料相同，生長(zhǎng)出的薄膜層與襯底晶格完全匹配，可形成較強(qiáng)的化學(xué)鍵，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的電荷載流子遷移率。如果所要生長(zhǎng)的薄膜材料與襯底材料不同，想要實(shí)現(xiàn)有效的外延生長(zhǎng)就會(huì)變得十分困難，因?yàn)橐r底和外延層的晶格不匹配。為了避免這一問(wèn)題，研究人員采用范德華外延法。該方法基于由電子的概率論性質(zhì)所決定的范德華現(xiàn)象。電子的概率論性質(zhì)是指原子核周?chē)碾娮拥姆植际遣还潭ǖ模娮硬痪鶆虻胤植荚谠雍酥車(chē)臻g的任何位置。當(dāng)范德華力產(chǎn)生后，會(huì)誘導(dǎo)產(chǎn)生一端帶正電荷、另一端帶負(fù)電荷的偶極子，而在原子核之間形成微弱的相互吸引作用。
研究人員選擇云母作為鍺外延薄膜生長(zhǎng)的襯底，原因是云母具有原子級(jí)的光滑表面，不會(huì)產(chǎn)生懸掛鍵（未成對(duì)的價(jià)電子）。這就保證了在進(jìn)行范德華外延的過(guò)程中不會(huì)生成化學(xué)鍵。鍺外延層與云母襯底在二者界面處只通過(guò)微弱的范德華力相連接。這樣，盡管鍺與云母具有截然不同的晶體結(jié)構(gòu)（原子間距差異高達(dá)23%），也可以形成馳豫的穩(wěn)定的外延薄膜。除了使晶格不匹配得到緩解之外，范德華外延法還更容易實(shí)現(xiàn)鍺外延薄膜從云母表面的機(jī)械剝離。研究人員使用厚度為0.26毫米的云母襯底，生長(zhǎng)出的鍺外延層厚度僅為80納米，通過(guò)改變沉積和退火過(guò)程中的襯底溫度（在300攝氏度～500攝氏度范圍內(nèi)），他們發(fā)現(xiàn)外延層的晶格在425攝氏度時(shí)仍然能夠穩(wěn)定存在。而在此之前的所有研究都表面，在任何升溫過(guò)程中都無(wú)法通過(guò)范德華外延法在云母基片上實(shí)現(xiàn)元素半導(dǎo)體材料的穩(wěn)定外延。顯然，倫斯勒理工學(xué)院的研究成果成功駁斥了之前的研究結(jié)論。
研究人員指出，他們用范德華外延法得到的鍺納米薄膜比納米晶體或納米線更容易集成于電子器件之中。此外，還可以作為其他材料沉積工藝的襯底，應(yīng)用于柔性晶體管、太陽(yáng)電池、可穿戴光電子設(shè)備等的制造過(guò)程中。利用范德華外延法在實(shí)際溫度條件下成功實(shí)現(xiàn)云母基片上的鍺外延薄膜生長(zhǎng)，給了研究人員莫大的激勵(lì)。下一步，他們還將繼續(xù)研究，以達(dá)到用范德華外延法在云母基片上實(shí)現(xiàn)除鍺以外的其他元素半導(dǎo)體材料或合金材料外延生長(zhǎng)的目的。
更多精彩！歡迎掃描下方二維碼關(guān)注中國(guó)粉體技術(shù)網(wǎng)官方微信（粉體技術(shù)網(wǎng)）
|
