Doorbraak in atomaire-dunne halfgeleiders: gecontroleerde doping op wafer-schaal nu mogelijk

Een Chinees onderzoeksteam heeft recent een doorbraak gerealiseerd op het gebied van 2D halfgeleiders. Ze kunnen grootschalige, gecontroleerd gedoopte MoS₂-films vervaardigen op industriële wafers – een cruciale stap richting praktische elektronische toepassingen.

2D halfgeleiders, zoals molybdeendisulfide (MoS₂) zijn extreem dun (slechts één atoomlaag) en bieden potentie voor snelle, energiezuinige schakelingen op nanometerschaal. Tot nu toe liep de praktische inzet van 2D-materialen echter vast op twee belangrijke knelpunten:

• Moeilijkheden om grote, homogene films te maken van deze materialen, en
• Het ontbreken van geschikte dopingmethoden om hun elektrische eigenschappen nauwkeurig te regelen.

Metaal-geassisteerde epitaxie maakt doping op nanoschaal mogelijk

De onderzoekers ontwikkelden een nieuwe techniek: metaal-geassisteerde Van der Waals epitaxie, gecombineerd met een op maat gemaakte CVD (chemical vapor deposition)-reactor. Hierdoor konden zij op standaard c-plane saffierwafers een perfect monolaag MoS₂-film laten groeien, inclusief precieze doping met overgangsmetalen zoals ijzer (Fe), niobium (Nb), koper (Cu) en vanadium (V).

In tegenstelling tot conventionele doping (zoals ionenimplantatie of thermische diffusie, die 2D-materialen zouden beschadigen), gebruiken zij chloride-precursors voor een zachte, chemische doping. Met behulp van geavanceerde technieken zoals EDX, XPS en fotoluminescentie werd zowel op macro- als atoomniveau een uitzonderlijke dopinguniformiteit bevestigd.

Met deze methode kan men p-type of n-type geleiding creëren, afhankelijk van het gekozen dopant:

• Fe → n-type MoS₂
• Nb, Cu, V → p-type MoS₂

Simulaties via densiteitsfunctionaaltheorie (DFT) bevestigen dat de Fermi-niveaus van MoS₂ gecontroleerd kunnen worden verschoven, waardoor functionele halfgeleidereigenschappen ontstaan.

Single-crystal prestaties op industriële schaal

Bijzonder opvallend is dat Fe-gedoteerd MoS₂ uit naadloos aaneengestikte, unidirectioneel uitgelijnde kristaldomeinen bestaat – zonder enige korrelgrens op het vlakke oppervlak. Dit betekent in feite een single-crystal structuur over een volledige wafer.

De prestaties:

• Elektronenmobiliteit tot 71 cm²/V·s;
• On/off-stroomratio van meer dan 10⁸;
• Beter dan ongeprepareerde MoS₂ en vergelijkbaar met de beste laboratoriummonsters die eerder enkel via mechanische exfoliatie konden worden gemaakt.

Praktische toepassingen: schaalbare 2D-elektronica in zicht

Het onderzoeksteam heeft deze technologie direct ingezet om functionele circuits te maken:

• Een ultra-low-power inverter op basis van n-type en p-type MoS₂-transistors;
• Integratie van 265.000 top-gate transistors op een 4-inch wafer, met hoge uniformiteit;
• Simulaties tonen dat complexe digitale logica realistisch wordt op basis van deze 2D-materialen.

Met deze stap richting grootschalige 2D-integratie lijken toepassingen zoals flexibele elektronica, AI-edge chips en next-gen sensortechnologie dichterbij dan ooit.