Wëssenschaftler wuessen “perfekt” atom-dënn Materialien op industrielle Siliziumwaferen

Richteg dem Moore säi Gesetz ass d’Zuel vun den Transistoren op engem Mikrochip all Joer zënter den 1960er verduebelt. Awer dës Streck gëtt virausgesot fir séier Plateau well Silizium – de Réckgrat vun de modernen Transistoren – seng elektresch Eegeschafte verléiert eemol Geräter aus dësem Material ënner enger gewësser Gréisst erofsetzen.

Gitt 2D Materialien – delikat, zweedimensional Blieder vu perfekte Kristalle, déi sou dënn wéi en eenzegen Atom sinn. Op der Skala vun Nanometer kënnen 2D Materialien Elektronen vill méi effizient féieren wéi Silizium. D’Sich no Transistormaterialien vun der nächster Generatioun huet sech dofir op 2D Materialien als potenziell Nofolger vum Silizium konzentréiert.

Awer ier d’Elektronikindustrie op 2D Materialien kann iwwergoen, mussen d’Wëssenschaftler als éischt e Wee fannen fir d’Materialien op Industrie-Standard Siliziumwaferen z’entwéckelen, wärend hir perfekt kristallin Form behalen. An MIT Ingenieuren kënnen elo eng Léisung hunn.

D’Team huet eng Method entwéckelt, déi Chiphersteller et erméiglecht, ëmmer méi kleng Transistoren aus 2D Materialien ze fabrizéieren andeems se se op existente Wafere vu Silizium an aner Materialien wuessen. Déi nei Method ass eng Form vun “nonepitaxialen, eenkristallinem Wuesstum”, deen d’Team fir d’éischte Kéier benotzt huet fir reng, defektfräi 2D Materialien op industrielle Siliziumwaferen ze wuessen.

Mat hirer Method huet d’Team en einfachen funktionnellen Transistor aus enger Aart vun 2D Materialien fabrizéiert, genannt Iwwergangsmetall Dichalcogeniden, oder TMDs, déi bekannt sinn fir Elektrizitéit besser ze féieren wéi Silizium op Nanometer Skalen.

“Mir erwaarden datt eis Technologie d’Entwécklung vun 2D Semiconductor-baséiert, High-Performance, nächst Generatioun elektronesch Geräter erméigleche kéint”, seet de Jeehwan Kim, Associé Professer fir mechanesch Ingenieuren um MIT. “Mir hunn e Wee opgehuewen fir dem Moore säi Gesetz opzehalen mat 2D Materialien.”

Kim a seng Kollegen detailléiert hir Method an engem Pabeier erschéngen an Natur. D’MIT Co-Autoren vun der Studie enthalen Ki Seok Kim, Doyoon Lee, Celesta Chang, Seunghwan Seo, Hyunseok Kim, Jiho Shin, Sangho Lee, Jun Min Suh, a Bo-In Park, zesumme mat Kollaborateuren op der University of Texas zu Dallas, der University of California zu Riverside, Washington University zu Saint Louis, an Institutiounen a ganz Südkorea.

E Kristallpatchwork

Fir en 2D Material ze produzéieren, hunn d’Fuerscher typesch e manuelle Prozess benotzt, duerch deen eng atom-dënn Flake suergfälteg aus engem Bulkmaterial exfoliéiert gëtt, wéi d’Schichten vun enger Zwiebel ofschielen.

Awer déi meescht Bulkmaterialien si polykristallin, déi verschidde Kristalle enthalen déi an zoufälleg Orientéierungen wuessen. Wou een Kristall en aneren trëfft, wierkt d'”Korngrenz” als elektresch Barrière. All Elektronen, déi duerch ee Kristall fléissen, stoppen op eemol wann se mat engem Kristall vun enger anerer Orientéierung begéint sinn, an d’Konduktivitéit vun engem Material dampen. Och no der Peeling vun enger 2D Flake, mussen d’Fuerscher dann de Flake no “eenkristallinesche” Regiounen sichen – e langweilegen an Zäitintensive Prozess dee schwéier ass op industriell Skalen z’applizéieren.

Viru kuerzem hunn d’Fuerscher aner Weeër fonnt fir 2D Materialien ze fabrizéieren, andeems se se op Saphirwafer wuessen – e Material mat engem sechseckegen Muster vun Atomer, wat 2D Materialien encouragéiert fir an der selwechter eenzegkristalliner Orientéierung ze sammelen.

“Awer kee benotzt Saphir an der Erënnerung oder der Logikindustrie”, seet de Kim. “All d’Infrastruktur baséiert op Silizium. Fir Hallefleitveraarbechtung musst Dir Siliziumwafer benotzen.”

Wéi och ëmmer, Wafere vu Silizium feelen dem Saphir sechseckegen Ënnerstëtzungssteier. Wann d’Fuerscher probéieren 2D Materialien op Silizium ze wuessen, ass d’Resultat e zoufälleg Patchwork vu Kristalle, déi zoufälleg fusionéieren, a bilden vill Kärgrenzen, déi d’Konduktivitéit stéieren.

“Et gëtt als bal onméiglech ugesinn fir eenzel kristallin 2D Materialien op Silizium ze wuessen”, seet de Kim. “Elo weisen mir datt Dir kënnt. An eisen Trick ass d’Bildung vu Kärgrenzen ze verhënneren.”

Seed Taschen

Dem Team säin neien “nonepitaxialen, eenkristallinesche Wuesstum” erfuerdert keng Peeling a Sich vu Flakelen aus 2D Material. Amplaz benotze d’Fuerscher konventionell Dampdepositiounsmethoden fir Atomer iwwer e Siliziumwafer ze pumpen. D’Atomer settelen sech schlussendlech op der Wafer an nukleéieren, wuessen an zweedimensional Kristallorientéierungen. Wann eleng eleng bleift, wäert all “Kär” oder Som vun engem Kristall an zoufälleg Orientéierungen iwwer de Siliziumwafer wuessen. Awer de Kim a seng Kollegen hunn e Wee fonnt fir all wuessend Kristall ze alignéieren fir eenzel kristallin Regiounen iwwer de ganze Wafer ze kreéieren.

Fir dat ze maachen, hunn se fir d’éischt e Siliziumwafer an enger “Mask” bedeckt – eng Beschichtung vu Siliziumdioxid, déi se a kleng Taschen geprägt hunn, all entwéckelt fir e Kristallsaat ze fangen. Iwwer de maskéierte Wafer hunn se dunn e Gas vun Atomer gefloss, déi sech an all Tasche niddergelooss hunn fir en 2D Material ze bilden – an dësem Fall en TMD. D’Taschen vun der Mask hunn d’Atomer korraléiert an encouragéiert se op der Siliziumwafer an der selwechter eenzegkristalliner Orientéierung ze sammelen.

“Dat ass e ganz schockéiert Resultat,” seet de Kim “Dir hutt iwwerall eenkristallin Wuesstum, och wann et keng epitaxial Relatioun tëscht dem 2D Material a Siliziumwafer ass.”

Mat hirer Maskéierungsmethod huet d’Team en einfachen TMD Transistor fabrizéiert a gewisen datt seng elektresch Leeschtung grad esou gutt war wéi e pure Flake vum selwechte Material.

Si hunn och d’Method applizéiert fir e multilayered Apparat ze konstruéieren. Nodeems si e Siliziumwafer mat enger Mustermaske bedeckt hunn, hunn se eng Zort 2D Material gewuess fir d’Halschent vun all Quadrat ze fëllen, duerno ass eng zweet Zort 2D Material iwwer déi éischt Schicht gewuess fir de Rescht vun de Quadraten ze fëllen. D’Resultat war eng ultradënn, eenkristallin Bilayer Struktur bannent all Quadrat. De Kim seet datt am Viraus verschidde 2D Materialien op dës Manéier ugebaut a gestapelt kënne ginn fir ultradënn, flexibel a multifunktionell Filmer ze maachen.

“Bis elo gouf et kee Wee fir 2D Materialien an eenzegkristallin Form op Siliziumwaferen ze maachen, also huet d’ganz Gemeinschaft bal opginn fir 2D Materialien fir d’nächst Generatioun Prozessoren ze verfolgen,” seet de Kim. “Elo hu mir dëse Problem komplett geléist, mat engem Wee fir Apparater méi kleng wéi e puer Nanometer ze maachen. Dëst wäert de Paradigma vum Moore’s Law änneren.”