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HZDR researchers have developed a new method to protect semi-conductors made of sensitive materials from contact with air and chemicals. It becomes, thus, possible to integrate these ultra-thin layers in electronic components, without impairing their performance.

“We managed to make encapsulated transistors based on indium selenide and gallium selenide,” reports Dr. Artur Erbe, head of the “Transport in Nanostructures” group at HZDR’s Institute of Ion Beam Physics and Materials Research. “The encapsulation technique protects the sensitive layers from external impacts and preserves its performance.” For encapsulation, the scientists use hexagonal boron nitride (hBN). It is ideal for the purpose because it can be formed into a thin layer and is also inert, so it does not respond to its environment.

Indium and gallium selenide are seen as promising candidates for various applications in areas such as high-frequency electronics, optoelectronics and sensor technology. These materials can be made into flake-like films only 5 to 10 atomic layers thick which can be used to produce electronic components of extremely small dimensions.

During encapsulation, the 2D flakes are arranged between two layers of hexagonal boron nitride and thus completely enclosed. The upper hBN layer is responsible for outward insulation, the lower one for maintaining distance to the substrate. The technique was originally developed by the group of James Hone at Columbia University in New York where Himani Arora learned it during a research visit. The doctoral student subsequently continued to work on the topic at HZDR’s International Helmholtz Research School (IHRS) NanoNet.

Applying contacts without lithography

One of the particularly big challenges posed by the encapsulation technique was to apply external contacts to the semi-conductors. The usual method of evaporation deposition using a photomask is unsuitable because during this process the sensitive materials come into contact both with chemicals and with air and thus degrade. So, the HZDR researchers employed a lithography-free contacting technique involving metal electrodes made of palladium and gold embedded in hBN foil. This means the encapsulation and the electric contact with the 2D layer underneath can be achieved concurrently.

“In order to produce the contacts, the desired electrode pattern is etched onto the hBN layer so that the holes created can be filled with palladium and gold by means of electron beam evaporation,” Himani Arora explains. “Then you laminate the hBN foil with the electrodes onto the 2D flake.” When there are several contacts on an hBN wafer, contact with several circuits can be made and measured. For later application, the components will be stacked in layers.

As the experiments have shown, complete encapsulation with hexagonal boron nitride protects the 2D layers from decomposition and degradation and ensures long-term quality and stability. The encapsulation technique developed at HZDR is robust and easy to apply to other complex 2D materials. This opens up new paths for fundamental studies as well as for integrating these materials into technological applications. The new two-dimensional semi-conductors are cheap to produce and can be used for various applications such as detectors that measure light wavelengths. Another example of use would be as couplers between light and electronic current by generating light or switching transistors using light.

Publication:

H. Arora, Y. Jung, T. Venanzi, K. Watanabe, T. Taniguchi, R. Hübner, H. Schneider, M. Helm, J. C. Hone, A. Erbe: Effective hexagonal boron nitride passivation of few-layered InSe and GaSe to enhance their electronic and optical properties, in ACS Applied Materials & Interfaces, 2019 (DOI: 10.1021/acsami.9b13442)

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PD Dr. Artur Erbe | Himani Arora
Institute of Ion Beam Physics and Materials Research
Phone: +49 351 260-2366
Mail: a.erbe@hzdr.de | h.arora@hzdr.de

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Photo: HZDR / Sahneweiß / graphicINmotion, Shutterstock

[Deutsche Version; Pressemitteilung aus dem Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) vom 28. Januar 2020]

Halbleiter luftdicht verpackt

Neue Verkapselungstechnik schützt elektronische Eigenschaften empfindlicher Materialien

Die Elektronik der Zukunft wird immer kleiner. Forscher suchen deswegen nach winzigen Bauteilen, die in den stetig schmaler werdenden Strukturen zuverlässig funktionieren. Vielversprechende Elemente sind die chemischen Verbindungen Indiumselenid (InSe) und Galliumselenid (GaSe). Als hauchdünne Schichten bilden sie zweidimensionale Halbleiter. Sie kommen bisher jedoch kaum zum Einsatz, weil sie sich bei der Herstellung und durch Luftkontakt verändern. Eine neue Technik ermöglicht es nun, die empfindlichen Materialien in elektronische Bauteile zu integrieren, ohne dass sie die gewünschten Eigenschaften einbüßen. Entwickelt hat die Methode, die in der Fachzeitschrift ACS Applied Materials and Interfaces (DOI: 10.1021/acsami.9b13442) vorgestellt wird, Himani Arora, eine Physik-Doktorandin am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR).

„Uns ist es gelungen, verkapselte Transistoren basierend auf Indiumselenid und Galliumselenid herzustellen“, berichtet Dr. Artur Erbe, Leiter der Arbeitsgruppe „Transport in Nanostrukturen“ am HZDR-Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung. „Die Verkapselungstechnik schützt die empfindlichen Schichten vor äußeren Einwirkungen und bewahrt ihre Leistungsfähigkeit.“ Für die Einkapselung nutzen die Wissenschaftler hexagonales Bornitrid (hBN). Es ist für diesen Zweck optimal geeignet, weil es sich zu einer dünnen Schicht formen lässt und inert ist, also nicht mit der Umgebung reagiert.

Indium- und Galliumselenid gelten als aussichtsreiche Kandidaten für Anwendungen, zum Beispiel in der Hochfrequenzelektronik, der Optoelektronik oder in der Sensorik. Aus den Materialien lassen sich flockenähnliche Schichten mit einer Dicke von nur 5 bis 10 Atomlagen bilden, die zur Herstellung von elektronischen Bauelementen mit äußerst kleinen Abmessungen verwendet werden können. Die elektrische Leitung in diesen Schichten erfolgt nur in der Ebene.

Bei der Verkapselung werden die zweidimensionalen Flocken zwischen zwei Plättchen aus hexagonalem Bornitrid angeordnet und so vollständig eingeschlossen. Die obere hBN-Schicht sorgt für die Isolation nach außen, die untere dient als Abstandshalter zum Trägermaterial. Ursprünglich hatte die Technik die Gruppe um James Hone an der Columbia University in New York entwickelt, an der Himani Arora sie während eines Forschungsaufenthaltes erlernte. Anschließend bearbeitete die Doktorandin der International Helmholtz Research School (IHRS) NanoNet das Thema am HZDR weiter.

Kontaktierung ohne Lithographie

Eine besondere Herausforderung bei der Verkapselungstechnik liegt darin, die Halbleiter zu kontaktieren, also die Kontakte nach außen herzustellen. Das gängige Verfahren des Aufdampfens unter Verwendung einer Fotomaske eignet sich dafür nicht, weil die empfindlichen Materialien bei dem Prozess sowohl mit Chemikalien als auch mit Luft in Berührung kommen und degradieren würden. Die Forscher am HZDR verwenden deshalb eine lithographiefreie Technik der Kontaktierung. Dabei handelt es sich um Metallelektroden aus Palladium und Gold, die in das hexagonale Bornitrid eingebettet sind. So lassen sich gleichzeitig eine Verkapselung und eine elektrische Verbindung mit der darunterliegenden zweidimensionalen Schicht erreichen.

„Zur Herstellung der Kontakte wird das gewünschte Elektrodenmuster in die hBN-Schicht geätzt, um die so entstandenen Löcher durch Elektronenstrahlverdampfung mit Palladium und Gold zu füllen“, erläutert Himani Arora. „Dann laminieren wir das hexagonale Bornitrid mit den Elektroden auf die 2D-Flocke.“ Mit mehreren Kontakten in einem hBN-Plättchen lassen sich mehrere Schaltkreise auf einer einzigen Halbleiter-Flocke kontaktieren und messen. In der späteren Anwendung werden die Bauelemente in Schichten übereinander gestapelt.

Wie die Experimente gezeigt haben, schützt die vollständige Einkapselung mit hexagonalem Bornitrid die zweidimensionalen Schichten vor Zersetzung und Degradierung und verleiht ihnen für lange Zeit eine hohe Qualität und Stabilität. Die am HZDR entwickelte Verkapselungstechnik ist robust und leicht auf andere komplexe zweidimensionale Materialien übertragbar. Das eröffnet neue Wege für grundlegende Studien sowie für die Integration dieser Materialien in technologische Anwendungen. Die neuen zweidimensionalen Halbleiter lassen sich kostengünstig herstellen und für unterschiedliche Anwendungen nutzen, etwa in Detektoren, die die Wellenlängen von Licht messen. Auch wären sie als Koppler zwischen Licht und Strom einzusetzen, indem sie zum Beispiel Licht generieren oder Transistoren mit Licht schalten.

Publikation:

H. Arora, Y. Jung, T. Venanzi, K. Watanabe, T. Taniguchi, R. Hübner, H. Schneider, M. Helm, J. C. Hone, A. Erbe: Effective hexagonal boron nitride passivation of few-layered InSe and GaSe to enhance their electronic and optical properties, in ACS Applied Materials & Interfaces, 2019 (DOI: 10.1021/acsami.9b13442)

Weitere Informationen:

PD Dr. Artur Erbe | Himani Arora
Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung am HZDR
Tel.: +49 351 260-2366
E-Mail: a.erbe@hzdr.de | h.arora@hzdr.de

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Simon Schmitt | Wissenschaftsredakteur
Tel.: +49 351 260-3400 | E-Mail: s.schmitt@hzdr.de
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Druckfähiges Bildmaterial finden Sie unter: https://www.hzdr.de/presse/encapsulation_technique

Das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) forscht auf den Gebieten Energie, Gesundheit und Materie. Folgende Fragestellungen stehen hierbei im Fokus:

• Wie nutzt man Energie und Ressourcen effizient, sicher und nachhaltig?
• Wie können Krebserkrankungen besser visualisiert, charakterisiert und wirksam behandelt werden?
• Wie verhalten sich Materie und Materialien unter dem Einfluss hoher Felder und in kleinsten Dimensionen?

Das HZDR entwickelt und betreibt große Infrastrukturen, die auch von externen Messgästen genutzt werden: Ionenstrahlzentrum, Hochfeld-Magnetlabor Dresden und ELBE-Zentrum für Hochleistungs-Strahlenquellen.
Es ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, hat fünf Standorte (Dresden, Freiberg, Grenoble, Leipzig, Schenefeld bei Hamburg) und beschäftigt knapp 1.200 Mitarbeiter – davon etwa 500 Wissenschaftler inklusive 170 Doktoranden.