Выращивание 2D-функционального транзистора на кремниевой пластине

Электроника и датчики INSIDER

В соответствии с законом Мура количество транзисторов на микрочипе удваивается каждый год, начиная с 1960-х годов. Но эта траектория, по прогнозам, вскоре выйдет на плато, потому что кремний — основа современных транзисторов — теряет свои электрические свойства, когда размеры устройств, изготовленных из этого материала, опускаются ниже определенного размера.

Введите 2D-материалы — тонкие двумерные листы идеальных кристаллов толщиной с один атом. В масштабе нанометров двумерные материалы могут проводить электроны гораздо эффективнее, чем кремний. Поэтому поиск транзисторных материалов следующего поколения был сосредоточен на двумерных материалах как потенциальных преемниках кремния.

Но прежде чем электронная промышленность сможет перейти на 2D-материалы, ученые должны сначала найти способ создавать материалы на кремниевых пластинах, соответствующих отраслевым стандартам, сохраняя при этом их идеальную кристаллическую форму. И у инженеров MIT теперь может быть решение.

Команда разработала метод, который позволит производителям микросхем изготавливать транзисторы все меньшего размера из 2D-материалов, выращивая их на существующих пластинах кремния и других материалов. Новый метод представляет собой форму «непитаксиального выращивания монокристаллов», которую команда впервые применила для выращивания чистых, бездефектных 2D-материалов на промышленных кремниевых пластинах.

С помощью своего метода команда изготовила простой функциональный транзистор из двумерных материалов, называемых дихалькогенидами переходных металлов, или TMD, которые, как известно, проводят электричество лучше, чем кремний, в нанометровых масштабах.

«Мы ожидаем, что наша технология позволит разработать высокопроизводительные электронные устройства следующего поколения на основе полупроводников», — сказал Джихван Ким, доцент кафедры машиностроения Массачусетского технологического института. «Мы открыли способ удовлетворить закон Мура, используя 2D-материалы». Ким и его коллеги подробно описывают свой метод в статье, опубликованной в журнале Nature.

Для создания 2D-материала исследователи обычно используют ручной процесс, при котором чешуйка толщиной в атом аккуратно отслаивается от объемного материала, подобно тому, как снимаются слои луковицы.

Но большинство объемных материалов являются поликристаллическими и содержат множество кристаллов, которые растут в случайной ориентации. Там, где один кристалл встречается с другим, «граница зерна» действует как электрический барьер. Любые электроны, проходящие через один кристалл, внезапно останавливаются при встрече с кристаллом другой ориентации, ослабляя проводимость материала. После отшелушивания 2D-чешуйки исследователи должны затем найти в ней «монокристаллические» области — утомительный и трудоемкий процесс, который трудно применить в промышленных масштабах.

Недавно исследователи нашли другие способы изготовления 2D-материалов, выращивая их на пластинах сапфира — материала с гексагональной структурой атомов, которая способствует сборке 2D-материалов в одной и той же монокристаллической ориентации.

«Но никто не использует сапфир в индустрии памяти или логики», — говорит Ким. «Вся инфраструктура основана на кремнии. Для обработки полупроводников необходимо использовать кремниевые пластины». Однако кремниевые пластины лишены шестиугольного поддерживающего каркаса, как сапфир. Итак, когда исследователи пытаются вырастить двумерные материалы на кремнии, в результате получается хаотичная смесь кристаллов, которые беспорядочно сливаются, образуя многочисленные границы зерен, которые препятствуют проводимости.

Новый «неэпитаксиальный монокристаллический рост» команды не требует отделения и поиска чешуек 2D-материала. Вместо этого исследователи используют традиционные методы осаждения из паровой фазы для перекачки атомов через кремниевую пластину. Атомы в конечном итоге оседают на пластине и зарождаются, превращаясь в двумерные кристаллические ориентации. Если оставить это в покое, каждое «ядро» или зародыш кристалла будет расти в случайной ориентации по всей кремниевой пластине. Но Ким и его коллеги нашли способ выровнять каждый растущий кристалл, чтобы создать монокристаллические области по всей пластине.

Для этого они сначала покрыли кремниевую пластину «маской» — покрытием из диоксида кремния, которое они сформировали в крошечные карманы, каждый из которых предназначен для улавливания затравки кристалла. Затем по замаскированной пластине они пропустили газ из атомов, который осел в каждом кармане, сформировав двумерный материал — в данном случае TMD. Карманы маски объединяли атомы и побуждали их собираться на кремниевой пластине в той же монокристаллической ориентации.