Semiconductores herméticamente sellados
La nueva técnica de encapsulación protege las propiedades electrónicas de los materiales sensibles
La electrónica del mañana es cada vez más pequeña. Los investigadores buscan así componentes minúsculos que funcionen de manera fiable en configuraciones cada vez más estrechas. Entre los elementos prometedores se encuentran los compuestos químicos seleniuro de indio (InSe) y seleniuro de galio (GaSe). En forma de capas ultrafinas, forman semiconductores bidimensionales (2D). Pero, hasta ahora, apenas se han usado porque se degradan al entrar en contacto con el aire durante la fabricación. Ahora, una nueva técnica permite que el material sensible se integre en los componentes electrónicos sin perder las propiedades deseadas. El método, que ha sido descrito en la revista ACS Applied Materials and Interfaces, fue desarrollado por Himani Arora, un candidato a doctorado en física en el Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR).
Los investigadores de HZDR han desarrollado un nuevo método para proteger los semiconductores hechos de materiales sensibles del contacto con el aire y los productos químicos. De esta manera, es posible integrar estas capas ultrafinas en los componentes electrónicos, sin perjudicar su rendimiento.
HZDR / Sahneweiß / graphicINmotion, Shutterstock
"Conseguimos fabricar transistores encapsulados basados en seleniuro de indio y seleniuro de galio", informa el Dr. Artur Erbe, jefe del grupo "Transporte en Nanoestructuras" del Instituto de Investigación de Física y Materiales de HZDR. "La técnica de encapsulación protege las capas sensibles de los impactos externos y preserva su rendimiento". Para el encapsulamiento, los científicos utilizan el nitruro de boro hexagonal (hBN). Es ideal para este propósito porque puede formarse en una capa fina y también es inerte, por lo que no responde a su entorno.
El seleniuro de indio y de galio se considera un candidato prometedor para diversas aplicaciones en ámbitos como la electrónica de alta frecuencia, la optoelectrónica y la tecnología de sensores. Estos materiales pueden convertirse en películas en forma de escamas de sólo 5 a 10 capas atómicas de espesor que pueden utilizarse para producir componentes electrónicos de dimensiones extremadamente pequeñas.
Durante el encapsulamiento, las escamas 2D están dispuestas entre dos capas de nitruro de boro hexagonal y, por lo tanto, completamente encerradas. La capa superior de hBN es responsable del aislamiento exterior, la inferior de mantener la distancia al sustrato. La técnica fue originalmente desarrollada por el grupo de James Hone en la Universidad de Columbia en Nueva York, donde Himani Arora la aprendió durante una visita de investigación. Posteriormente, el estudiante de doctorado siguió trabajando en el tema en la NanoNet de la Escuela Internacional de Investigación Helmholtz (IHRS) de la HZDR.
Aplicando contactos sin litografía
Uno de los retos especialmente grandes que planteaba la técnica de encapsulación era aplicar contactos externos a los semiconductores. El método habitual de deposición por evaporación mediante una fotomáscara no es adecuado porque durante este proceso los materiales sensibles entran en contacto tanto con los productos químicos como con el aire y se degradan así. Así, los investigadores del HZDR emplearon una técnica de contacto libre de litografía que incluía electrodos metálicos de paladio y oro incrustados en una lámina de hBN. Esto significa que el encapsulamiento y el contacto eléctrico con la capa 2D de abajo se puede lograr simultáneamente.
"Para producir los contactos, el patrón de electrodos deseado se graba en la capa de hBN para que los agujeros creados puedan ser rellenados con paladio y oro por medio de la evaporación de un haz de electrones", explica Himani Arora. "Luego se lamina la lámina de hBN con los electrodos en la lámina 2D". Cuando hay varios contactos en una oblea de hBN, se puede hacer y medir el contacto con varios circuitos. Para su posterior aplicación, los componentes se apilarán en capas.
Como han demostrado los experimentos, la encapsulación completa con nitruro de boro hexagonal protege las capas 2D de la descomposición y la degradación y asegura la calidad y la estabilidad a largo plazo. La técnica de encapsulación desarrollada en la HZDR es robusta y fácil de aplicar a otros materiales 2D complejos. Esto abre nuevos caminos para los estudios fundamentales, así como para la integración de estos materiales en las aplicaciones tecnológicas. Los nuevos semiconductores bidimensionales son baratos de producir y pueden utilizarse para diversas aplicaciones, como los detectores que miden las longitudes de onda de la luz. Otro ejemplo de uso sería como acopladores entre la luz y la corriente electrónica mediante la generación de luz o la conmutación de transistores utilizando la luz.
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