新技术可以提高电子产品的能源效率

UCLA方法（左，前）通过简单的层压工艺将金属薄片（银球）连接到半导体层（黄色），从而防止形成缺陷。该方法使用范德华力而不是化学键来连接层。在目前常用的技术中，经常会形成间隙，因为来自两层的原子不能完美地结合在一起。加州大学洛杉矶分校

新技术可以消除通常在制造过程中形成的微观缺陷，从而提高电子产品的能源效率。

UCLA的科学家和工程师开发了一种新的组装半导体器件的工艺。这种进步可能会导致用于电子和计算机芯片的高能效晶体管，用于太阳能电池的二极管和发光二极管以及其他基于半导体的设备。

关于这项研究的论文发表在《自然》杂志上。这项研究是由加州大学洛杉矶分校化学与生物化学教授段向峰和加州大学洛杉矶分校萨穆利工程学院材料科学与工程教授余煌率领的。主要作者是加州大学洛杉矶分校的博士后研究员刘原。

他们的方法将半导体层和金属电极层接合在一起，而没有原子级缺陷，而原子级缺陷通常是在其他工艺用于制造基于半导体的器件时发生的。即使这些缺陷很小，它们也可以捕获在半导体和相邻金属电极之间传播的电子，这使器件的效率降低了。基于半导体的设备中的电极使电子能够进出半导体。电子可以携带计算信息或能量来为设备供电。

通常，半导体器件中的金属电极是使用称为物理气相沉积的过程构建的。在此过程中，金属材料被蒸发成原子或原子团簇，然后凝结到半导体上，该半导体可以是硅或其他类似材料。金属原子通过牢固的化学键粘在半导体上，最终在半导体顶部形成电极薄膜。

该过程的一个问题是，金属原子通常与其所键合的半导体材料中的原子的尺寸或形状不同。结果，这些层不能形成完美的一对一原子连接，这就是为什么会出现小间隙或缺陷的原因。

Huang表示：“这就像试图将Lego品牌模块插入竞争对手品牌的模块中一样。”“您可以将两个不同的块强制在一起，但是配合并不完美。对于半导体，那些不完善的化学键会导致两层连接处出现间隙，并且这些间隙可能会作为缺陷扩展到界面之外并进入材料。”

那些缺陷会俘获穿过它们移动的电子，并且电子需要额外的能量才能穿过这些斑点。

UCLA方法通过简单的层压工艺在半导体层顶上连接一块金属薄板，从而防止了缺陷的形成。而且，新方法没有使用化学键将两个组件结合在一起，而是使用范德华力（弱的静电连接，当原子彼此非常靠近时会激活），以使分子彼此“附着”。范德华力比化学键弱，但由于它们的厚度薄，它们的强度足以将材料固定在一起-每层的厚度约为10纳米或更小。

（纳米是十亿分之一米；相比之下，人类的头发大约是100,000纳米厚。）

Huang说：“尽管它们的几何形状不同，但两层连接没有缺陷，并且由于范德华力而保持在原位。”

该研究也是验证起源于1930年代的科学理论的第一项工作。肖特基-莫特（Schottky-Mott）规则提出，在理想条件下，电子在金属和半导体之间传播所需的最小能量。

使用该理论，工程师应该能够选择允许电子以最小的能量穿过金属和半导体之间的结而移动的金属。但是由于制造过程中经常发生的微小缺陷，半导体器件一直需要能量比理论最小值还要多的电子。

加州大学洛杉矶分校的团队是第一个在不同金属和半导体组合的实验中验证该理论的人。由于电子不必克服通常的缺陷，因此它们能够以肖特基-莫特法则所预测的最小能量行进。

“我们的研究首次证实了金属-半导体界面的这些基本限制，” Duan说。“它显示了一种将金属集成到其他表面而不引入缺陷的新方法。广泛地讲，这可以用于制造任何具有先前受缺陷困扰的界面的精密材料。”

例如，除了半导体上的电极触点外，它还可以用于组装超节能纳米级电子组件或光电子器件，例如太阳能电池。

该论文的其他加州大学洛杉矶分校作者是郭健，朱恩伯和李成俊以及博士后学者丁梦凝。中国湖南大学研究人员；沙特阿拉伯沙特国王大学诺斯罗普·格鲁曼公司（Northrop Grumman Corporation）也为这项研究做出了贡献。

该研究是基于段和黄在利用范德华力整合材料方面进行的近十年工作而建立的。他们领导的一项研究发表于2018年3月的《自然》杂志上，描述了他们利用范德华力创造出一类新型的2D材料，称为单层原子晶体分子超晶格。在2010年《自然》杂志上发表的一项较早的研究中，他们描述了他们利用范德华力利用石墨烯制造高速晶体管的方法。

出版物：刘圆等人，“在范德华金属-半导体结中达到肖特基-莫特极限”，《自然》第557卷，第696–700页（2018年）