• 快讯 北京大学提出制备大面积二维半导体碲化钼(MoTe2)薄膜新方法

    来源专题:后摩尔
    编译者:shenxiang
    发布时间:2021-04-13
    二维层状半导体材料具有几个原子层厚度,同时能够保持较高载流子迁移率,是抑制短沟道效应、进一步缩小晶体管尺寸的重要备选材料。然而,目前制备大面积二维半导体薄膜的方法大多采用不同成核点成核、晶畴生长拼接而成。这种方法会在晶畴之间形成晶界,而且不能保证半导体薄膜100%的覆盖率,从而限制了基于这类薄膜制备的器件的性能和均一性。基于大面积集成电路对于半导体器件性能以及均一性的要求,在器件基底上直接制备晶圆尺寸连续二维半导体单晶材料是产业界、科研界亟待解决的科学和技术问题。 为此, 北京大学叶堉研究员课题组 提出了一种利用相变和重结晶过程制备晶圆尺寸单晶半导体相碲化钼(MoTe2 )薄膜的新方法。过渡金属硫属化合物是二维材料中非常重要的一类。MoTe2由于其金属相(1T&apos)与半导体相(2H)之间的自由能差异非常小,为在MoTe2中实现两个相之间的可控相变提供了基础。实验中,他们首先通过碲化磁控溅射钼膜的方法得到含有碲空位的晶圆尺寸多晶1T&apos相MoTe2薄膜。然后,通过定向转移技术将机械剥离的单晶MoTe2纳米片作为诱导相变的籽晶转移到1T&apos-MoTe2晶圆的正中央,通过原子层沉积的致密氧化铝薄膜隔绝1T&apos相MoTe2薄膜与环境中的Te原子接触抑制其他成核。之后在种子区域内打孔,使种子区域成为Te原子补给并维系1T&apos到2H相变的唯一通道,通过面内二维外延实现了单一成核相变生长的单晶薄膜(图1)。实验中发现,籽晶首先通过1T&apos/2H的垂直界面诱导了种子底部1T&apos相MoTe2的相变,进而形成了面内的1T&apos/2H的异质结继续诱导相变的发生。整个相变过程伴随着以异质界面处2H相MoTe2为模板的重结晶过程,使得相变后的整个薄膜的晶格结构和晶格取向与籽晶完全一致,最终得到晶圆尺寸的单晶MoTe2薄膜。该制备方法通过原子的扩散和重排过程实现,无需以衬底为模板,因此可以在非晶的SiO2衬底上进行,为后续的器件制备提供了基础。 图1a 晶圆尺寸单晶MoTe2薄膜的制备过程示意图。 b 制备的MoTe2薄膜的光学照片。 c 种子区域的STEM表征。 将得到的晶圆尺寸单晶MoTe2作为模板,通过再次蒸镀钼膜以及再次碲化的方法,可以在垂直方向上实现对该晶圆的快速外延,制备二维半导体的块材单晶晶圆。结合晶圆尺寸的二维层状材料的剥离转移技术,有望实现晶圆尺寸单晶单层MoTe2半导体的批量制备。 以该薄膜为沟道材料,结合课题组之前发展的MoTe2相变工程方法制备的大面积1T&apos/2H/1T&apos相面内异质结场效应晶体管阵列,器件体现出100%的良率,并具有很好的电学性能,且其电学性能表现出很好的均一性。 该工作以“Seeded 2D epitaxy of large-area single-crystal films of the van der Waals semiconductor 2H MoTe2”为题,于2021年4月9日在线发表于学术期刊《科学》(Science)上。 论文原文链接: https://science.sciencemag.org/content/372/6538/195.full
  • 快讯 实用半导体自旋电子学的突破:信息在室温或室温以上在电子自旋和光之间有效交换

    来源专题:后摩尔
    编译者:shenxiang
    发布时间:2021-04-13
    未来可能会使用信息技术,利用电子自旋在量子计算机中存储、处理和传输信息。在室温下使用基于自旋的量子信息技术一直是科学家们的目标。来自瑞典、芬兰和日本的一组研究人员现在已经构建了一种半导体元件,在该元件中,信息可以在室温或室温以上的条件下有效地在电子自旋和光之间交换,此研究成果发表在《自然光子学》上。 自旋电子学——未来信息技术的一个很有前途的候选者——利用电子的量子特性来存储、处理和传递信息,比传统电子产品更快的速度和更低的能耗。   近几十年来,自旋电子学的发展是基于金属的使用,这对存储大量数据的可能性具有重要意义。基于半导体的自旋电子学的一个重要优势是可以将自旋状态表示的信息转换为光,反之亦然。这种技术被称为光自旋电子学。这将使基于自旋的信息处理和存储与通过光传输的信息融合成为可能。   光自旋纳米结构中的量子点由砷化铟(InAs)制成。每个量子点的厚度大约是人类头发厚度的1万倍。   由于现在使用的电子是在室温或更高的温度下工作的,自旋电子学发展中的一个严重问题是,当温度升高时,电子倾向于改变自旋方向并使其随机化。这意味着由电子自旋态编码的信息丢失或变得模糊。因此,在室温或更高的温度下,我们可以使所有电子基本处于相同的自旋状态并保持它,换句话说,它们是自旋极化的,这是发展半导体自旋电子学的必要条件。以往的研究在室温下获得了60%左右的最高电子自旋极化,无法实现大规模的实际应用。   Linköping大学、坦佩雷大学和北海道大学的研究人员现在已经在室温下实现了超过90%的电子自旋极化。即使到了110°C,自旋极化仍然保持在很高的水平。这项技术进步,是基于研究人员从不同半导体材料层构建的光自旋电子纳米结构。它包含被称为量子点的纳米级区域。每个量子点的厚度大约是人类头发厚度的1万倍。当一个自旋极化的电子撞击一个量子点时,它会发出光——更精确地说,它会发出单个光子,其状态(角动量)由电子自旋决定。在自旋电子学、光子学和量子计算中,量子点作为电子自旋和光之间的信息传递界面具有巨大的潜力。该研究成果证明,在室温下,利用相邻的自旋过滤器远程控制量子点的电子自旋是可能的。   这些量子点由砷化铟(InAs)和一层砷化镓氮(GaNAs)组成,起自旋过滤器的作用。在它们之间夹有一层砷化镓(GaAs)。类似的结构已经被用于基于砷化镓的光电技术中,研究人员相信这可以使自旋电子学与现有的电子和光子元件更容易集成。 论文信息:"Room-temperature electron spin polarization exceeding 90% in an opto-spintronic semiconductor nanostructure via remote spin filtering", Yuqing Huang, Ville Polojärvi, Satoshi Hiura, Pontus Höjer, Arto Aho, Riku Isoaho, Teemu Hakkarainen, Mircea Guina, Shino Sato, Junichi Takayama, Akihiro Murayama, Irina A. Buyanova and Weimin M. Chen, (2021), Nature Photonics, published online on 8 April 2021, doi: 10.1038/s41566-021-00786-y
  • 快讯 英国国家物理实验室制定石墨烯结构性能ISO/IEC标准ISO/TS 21356-1:2021

    来源专题:后摩尔
    编译者:shenxiang
    发布时间:2021-04-09
    英国国家物理实验室(NPL)与国际合作伙伴合作制定了用于测量石墨烯结构性能的ISO/IEC标准ISO/TS 21356-1:2021,用于测量以粉末或液体分散体形式销售的石墨烯。基于曼彻斯特大学在国家物理实验室实践指南制定的方法,ISO/IEC标准需要供应链回答“我的材料是什么?”的问题。 在过去的几年里,石墨烯已经从实验室转移到汽车和智能手机等现实产品中。然而,仍然有一个阻碍影响其商业化的速度,即了解材料的真实属性。石墨烯不仅仅是一种材料,而是许多种材料,每一种材料都有不同的性能,需要匹配到其不同的应用中。 由于全球有数百家公司销售各种被贴上“石墨烯”标签的材料,并以不同的方式制造,想要通过加入几层石墨烯薄片来改进产品的用户无法进行比较并为其产品选择合适的材料。 通过标准化的方法来实现对性能的可靠性和可重复性的测量,例如横向薄片尺寸、薄片厚度、无序程度和比表面积,工业界将能够进行比较并增强石墨烯供应链的信任。结合NPL领导制定的国际ISO/IEC标准ISO/TS 80004-13:2017,可以正确测量商用材料并将其标记为石墨烯、少层石墨烯或石墨。 作为英国的国家计量研究机构,NPL一直在为石墨烯及相关2D材料的测量开发可靠的计量方法并进行标准化,以使工业能够使用这些材料,并在许多应用领域开发新颖和改进的产品。 接下来,NPL将继续和ISO TC229(纳米技术)开展标准化工作,确定石墨烯相关2D材料的化学性质,以及不同形式的石墨烯材料(CVD生长的石墨烯)的结构性质。《自然评论物理学》(Nature Reviews Physics)对石墨烯测量框架标准化的国际化进行了更详细的描述,包括对新ISO石墨烯测量标准的进一步技术讨论。
  • 快讯 中外科学家实现量子纠错“完美编码”

    来源专题:后摩尔
    编译者:shenxiang
    发布时间:2021-04-07
    据科技日报报道,中国科学技术大学潘建伟、朱晓波、陈宇翱团队,清华大学马雄峰团队,以及牛津大学等机构的科学家们用超导量子比特,对五量子比特纠错码进行了实验探索,在超导量子系统上验证了用超导量子比特实现量子纠错码的可行性。研究成果日前发表于《国家科学评论》上。   要实现通用容错的量子计算,关键在于量子纠错。量子纠错中,一个重要的里程碑是实现优于简单的物理量子比特的逻辑量子比特的纠错。在未来10年,实现通用量子纠错码仍然是最大的挑战和难题。   研究人员首先对超导量子比特进行专门的实验优化,实现了100多个量子门。用于实现五量子比特纠错码的设备是一个12比特超导量子处理器。在这12个量子比特中,研究人员选择了5个相邻的量子比特来进行实验,这些量子比特是通过电容耦合到它们最近的比特的。经过仔细校正和对门参数的优化,实现单比特门的平均保真度为0.9993,两比特门的平均保真度为0.986。仅通过使用单量子比特旋转门和两量子比特受控相位门,研究人员实现了对逻辑态进行编码和解码。   在此基础上,研究人员在理论上编译和优化了编码过程,使最邻近受控相位门的数量减少到8个,最终实现了功能齐全的五比特纠错码的基本组成部分,其中包括将通用逻辑量子比特编码为纠错码。随后,研究人员对纠错码的关键特征进行了验证,包括识别任意单比特错误、逻辑态的逻辑门操作等,从而实现所谓“完美编码”。
  • 快讯 美国西北大学开发出兼顾高热导率、超低介电常数的二维共价有机框架有望作为下一代电介质层材料

    来源专题:后摩尔
    编译者:shenxiang
    发布时间:2021-04-07
    (高分子科学前沿报道)随着微处理器的小型化,为了避免集成电路内部的电子串扰,电荷积累或是信号延迟等一系列问题,亟须开发具有层间低介电常数的功能材料。然而,众所周知,现有已知的低介电常数电介质均具有低的导热性,这无疑会使高功率密度芯片中的散热问题变得更加复杂。二维拓扑结构的共价有机框架(COF)具有高度多孔的和周期性的分层结构,这些特征赋予了其低介电常数以及相对较高的热导率。然而,通过传统合成路线所制备的二维COF由于极易受到污染,不仅难以对其介电性能、导热性能进行评估,同时也不适合集成到设备中实现实际应用。 鉴于此,美国西北大学(Northwestern University)William R. Dichtel教授等人报道了一种具有高质量二维COF薄膜 (COFs) 制备的新方法。该合成方法通过模板化胶体聚合法合成了由硼酸酯连接的晶圆级二维COFs薄膜(图1)。鉴于这一系列所合成的二维COF薄膜所展现的前所未有的高质量,使其能够准确的进行热反射、阻抗谱等相关参数的测量。测试结果表明,制备所得的COFs薄膜不仅具有高的导热率(1 W m-1 K-1),同时也拥有极低的介电常数(k=1.6)。研究结果表明,具有定向分层结构的二维聚合物有望作为下一代电介质层材料。 图1. 硼酸酯接枝的COF薄膜的模板化胶体聚合法示意图 (a, b) 及其相关表征 (c-e) 文章亮点:   1. 针对采用传统COF合成工艺中极易受到污染,以致难以对其光、电、热等性能和实际应用能力进行准确评估的短板。研究人员通过一种独特的模板化胶体聚合新方法合成了一系列具有超高质量且无杂质污染的晶圆级二维COFs衍生材料,同时系统地表征了这些高质量二维COFs的热机械和光电性能 (图2-4)。   2. 该工作通过对二维COFs衍生物的结构、热、以及电子特性的精准调控使得其有望用作低介电层。具体而言,研究人员发现具有低密度、低介电常数的COFs材料可展现出异常高的热导率,有望应用于下一代集成电路系统。因此,这项工作为电介质材料的发展提供了新的机遇。   3. 进一步讲,研究结果也表明,通过合成化学的方法,设计具有高质量且结构精确可控的有机体,有望解锁更多的兼具多种优异性能于一体的新材料。 此文发表在《Nature Materials》,论文链接:https://www.nature.com/articles/s41563-021-00934-3