Германий, полупроводниковый элемент, был основным материалом на заре электронных устройств, прежде чем он был в значительной степени заменен кремнием. Но из-за высокой подвижности носителей заряда - выше, чем у кремния в три раза - германий возвращается!
Германий (Ge) обычно выращивают на дорогих монокристаллических подложках, что является проблемой для широкого применения данного материала. Для решения этой проблемы исследователи из Политехнического института им. Ренсселера в Соединенных Штатах демонстрируют метод эпитаксии, который основан на силах Ван-дер-Ваальса для выращивания Ge на слюде. Приложения могут включать передовые интегральные схемы и высокоэффективные солнечные элементы.
«Это первый случай, когда на слюде была продемонстрирована деформируемая ван-дер-ваальсовая эпитаксия элементарного полупроводника, - сказал Аарон Литлджон, соавтор статьи, демонстрирующей работу, опубликованную недавно в журнале Journal of Applied Physics, из AIP Publishing.
Это гибкая полупроводниковая тонкая пленка Ge, выращенная на слюде с помощью ван-дер-ваальсовой эпитаксии. Пленка не испытывает ухудшения ее электрических свойств даже после повторного изгиба.
Credit: Aaron Littlejohn, Rensselaer Polytechnic Institute
Выращивание слоев кристаллической пленки на кристаллических подложках (называемых эпитаксией) является повсеместным в производстве полупроводников. Если материалы пленки и подложки одинаковы, то идеально подобранные слои образуют сильные химические связи для оптимальной подвижности носителей заряда.
Тем не менее, многослойное распределение материалов является проблемой, потому что кристаллические решетки обычно не выравниваются. Чтобы обойти это, исследователи использовали силы Ван-дер-Ваальса - явления, которое основано на вероятностном характере электронов, которые не находятся в фиксированном положении вокруг ядра. Скорее, они могут быть где угодно, и вероятность того, что они будут распределены неравномерно, существует почти все время. Когда это происходит, возникает индуцированный диполь: небольшой положительный заряд с одной стороны и небольшой отрицательный заряд противоположный. Это создает слабые силы притяжения между нейтральными атомами.
Исследователи выбрали слюду в качестве подложки для выращивания пленки Ge из-за ее атомарно гладкой поверхности, свободной от оборванных связей (неспаренных валентных электронов). Это обеспечило отсутствие химической связи во время процесса эпитаксии силами Ван-дер-Ваальса.
Вместо этого поверхность материалов удерживается вместе через слабые силы Ван-дер-Ваальса. Это позволяет выращивать пленку несмотря на резко отличающиеся кристаллические структуры двух материалов, которые имеют 23-процентную разницу в атомных расстояниях. В дополнение к устранению ограничений согласования решетки эпитаксия Ван-дер-Ваальса позволяет механически отслаивать пленку Ge с поверхности слюды и находиться ей отдельно от подложки.
«Наша пленка германия может быть использована как тонкопленочная наномембрана, которая может быть интегрирована в электронные устройства легче, чем нанокристаллы или нанопроволоки», - сказал Литтлджон. - «Она также может служить основой для последующего осаждения дополнительных материалов для гибких транзисторов и солнечных элементов или даже пригодной для носимой электроники».
Пленки из германия толщиной около 80 нанометров выращивались на миллиметровых субстратах из слюды мусковита толщиной 0,26 мм. Изменяя температуру подложки во время осаждения и отжига в диапазоне 300-500 градусов Цельсия, исследователи обнаружили, что кристаллическая решетка стабилизируется примерно при 425 градусах Цельсия.
«Предыдущие исследования предполагают, что элементарные полупроводники не могут быть эпитаксиально выращены на слюде, используя силы Ван-дер-Ваальса при любой повышенной температуре, но мы теперь показали обратное», - сказал Литтлджон. - «С успехом нашей пленки Ge, выращенной на слюде, мы ожидаем, что другие неслоистые элементарные или легированные материалы могут быть выращены на слюде с помощью эпитаксии Ван-дер-Ваальса».
Источник: A. J. Littlejohn, Y. Xiang, E. Rauch, T.-M. Lu, G.-C. Wang. van der Waals epitaxy of Ge films on mica. Journal of Applied Physics, 2017; 122 (18): 185305 DOI: 10.1063/1.5000502