Getreu dem Mooreschen Gesetz hat sich die Anzahl der Transistoren auf einem Mikrochip seit den 1960er Jahren jedes Jahr verdoppelt. Aber es wird vorhergesagt, dass diese Flugbahn bald zum Stillstand kommen wird, da Silizium – das Rückgrat moderner Transistoren – seine elektrischen Eigenschaften verliert, sobald Geräte aus diesem Material unter eine bestimmte Größe sinken.
Betreten Sie 2D-Materialien – zarte, zweidimensionale Schichten perfekter Kristalle, die so dünn wie ein einzelnes Atom sind. Im Nanometerbereich können 2D-Materialien Elektronen viel effizienter leiten als Silizium. Die Suche nach Transistormaterialien der nächsten Generation hat sich daher auf 2D-Materialien als potenzielle Nachfolger von Silizium konzentriert.
Aber bevor die Elektronikindustrie zu 2D-Materialien übergehen kann, müssen Wissenschaftler zunächst einen Weg finden, die Materialien auf Industriestandard-Siliziumwafern zu konstruieren und dabei ihre perfekte kristalline Form zu bewahren. Und MIT-Ingenieure haben jetzt möglicherweise eine Lösung.
Das Team hat eine Methode entwickelt, die es Chipherstellern ermöglichen könnte, immer kleinere Transistoren aus 2D-Materialien herzustellen, indem sie sie auf bestehenden Wafern aus Silizium und anderen Materialien wachsen lassen. Das neue Verfahren ist eine Form des „nicht-pitaxialen, einkristallinen Wachstums“, mit dem das Team erstmals reine, defektfreie 2D-Materialien auf industrielle Siliziumwafer aufwachsen ließ.
Mit ihrer Methode stellte das Team einen einfachen funktionalen Transistor aus einer Art von 2D-Materialien namens Übergangsmetalldichalkogeniden oder TMDs her, von denen bekannt ist, dass sie Elektrizität im Nanometerbereich besser leiten als Silizium.
„Wir gehen davon aus, dass unsere Technologie die Entwicklung von elektronischen Hochleistungsgeräten der nächsten Generation auf 2D-Halbleiterbasis ermöglichen könnte“, sagt Jeehwan Kim, außerordentlicher Professor für Maschinenbau am MIT. „Wir haben einen Weg gefunden, das Mooresche Gesetz mithilfe von 2D-Materialien einzuholen.“
Kim und seine Kollegen beschreiben ihre Methode in einem Artikel, der in erscheint Natur. Zu den MIT-Co-Autoren der Studie gehören Ki Seok Kim, Doyoon Lee, Celesta Chang, Seunghwan Seo, Hyunseok Kim, Jiho Shin, Sangho Lee, Jun Min Suh und Bo-In Park sowie Mitarbeiter der University of Texas in Dallas. die University of California in Riverside, die Washington University in Saint Louis und Institutionen in ganz Südkorea.
Ein Kristall-Patchwork
Um ein 2D-Material herzustellen, haben Forscher normalerweise einen manuellen Prozess angewendet, bei dem eine atomdünne Flocke vorsichtig von einem Grundmaterial abgeblättert wird, als würde man die Schichten einer Zwiebel abziehen.
Die meisten Massenmaterialien sind jedoch polykristallin und enthalten mehrere Kristalle, die in zufälligen Ausrichtungen wachsen. Wo ein Kristall auf einen anderen trifft, wirkt die „Korngrenze“ als elektrische Barriere. Alle Elektronen, die durch einen Kristall fließen, stoppen plötzlich, wenn sie auf einen Kristall mit einer anderen Orientierung treffen, wodurch die Leitfähigkeit eines Materials gedämpft wird. Selbst nach dem Exfolieren einer 2D-Flake müssen die Forscher die Flocke nach „einkristallinen“ Regionen durchsuchen – ein langwieriger und zeitintensiver Prozess, der im industriellen Maßstab nur schwer anwendbar ist.
Kürzlich haben Forscher andere Wege zur Herstellung von 2D-Materialien gefunden, indem sie sie auf Wafern aus Saphir gezüchtet haben – einem Material mit einem hexagonalen Atommuster, das 2D-Materialien dazu anregt, sich in derselben, einkristallinen Ausrichtung zusammenzusetzen.
„Aber niemand verwendet Saphir in der Speicher- oder Logikindustrie“, sagt Kim. „Die gesamte Infrastruktur basiert auf Silizium. Für die Halbleiterverarbeitung müssen Sie Siliziumwafer verwenden.“
Wafern aus Silizium fehlt jedoch das hexagonale Stützgerüst von Saphir. Wenn Forscher versuchen, 2D-Materialien auf Silizium zu züchten, ist das Ergebnis ein zufälliger Flickenteppich von Kristallen, die willkürlich miteinander verschmelzen und zahlreiche Korngrenzen bilden, die die Leitfähigkeit beeinträchtigen.
„Es gilt als fast unmöglich, einkristalline 2D-Materialien auf Silizium zu züchten“, sagt Kim. „Jetzt zeigen wir, dass Sie es können. Und unser Trick ist es, die Bildung von Korngrenzen zu verhindern.“
Samentaschen
Das neue „nicht-pitaxiale, einkristalline Wachstum“ des Teams erfordert kein Abschälen und Suchen von Flocken von 2D-Material. Stattdessen verwenden die Forscher herkömmliche Aufdampfverfahren, um Atome über einen Siliziumwafer zu pumpen. Die Atome setzen sich schließlich auf dem Wafer ab und bilden Keime, die in zweidimensionale Kristallorientierungen wachsen. Wenn er allein gelassen würde, würde jeder „Kern“ oder Keim eines Kristalls in zufälligen Orientierungen über den Siliziumwafer wachsen. Aber Kim und seine Kollegen fanden einen Weg, jeden wachsenden Kristall auszurichten, um über den gesamten Wafer einkristalline Regionen zu schaffen.
Dazu bedeckten sie zunächst einen Siliziumwafer mit einer „Maske“ – einer Beschichtung aus Siliziumdioxid, die sie in winzige Taschen strukturierten, die jeweils dazu dienten, einen Kristallkeim einzufangen. Über den maskierten Wafer ließen sie dann ein Gas aus Atomen strömen, das sich in jeder Tasche absetzte, um ein 2D-Material zu bilden – in diesem Fall ein TMD. Die Taschen der Maske schlossen die Atome ein und ermutigten sie, sich auf dem Siliziumwafer in der gleichen, einkristallinen Ausrichtung anzuordnen.
„Das ist ein sehr schockierendes Ergebnis“, sagt Kim, „Sie haben überall einkristallines Wachstum, auch wenn es keine epitaktische Beziehung zwischen dem 2D-Material und dem Siliziumwafer gibt.“
Mit ihrer Maskierungsmethode stellte das Team einen einfachen TMD-Transistor her und zeigte, dass seine elektrische Leistung genauso gut ist wie eine reine Flocke aus demselben Material.
Sie wendeten die Methode auch an, um ein mehrschichtiges Gerät zu konstruieren. Nachdem sie einen Siliziumwafer mit einer gemusterten Maske bedeckt hatten, wuchsen sie eine Art von 2D-Material, um die Hälfte jedes Quadrats zu füllen, und wuchsen dann eine zweite Art von 2D-Material über der ersten Schicht, um den Rest der Quadrate zu füllen. Das Ergebnis war eine ultradünne, einkristalline Doppelschichtstruktur innerhalb jedes Quadrats. Kim sagt, dass in Zukunft mehrere 2D-Materialien auf diese Weise gezüchtet und zusammengestapelt werden könnten, um ultradünne, flexible und multifunktionale Filme herzustellen.
„Bis jetzt gab es keine Möglichkeit, 2D-Materialien in einkristalliner Form auf Siliziumwafern herzustellen, daher hat die gesamte Community es fast aufgegeben, 2D-Materialien für Prozessoren der nächsten Generation zu verfolgen“, sagt Kim. „Jetzt haben wir dieses Problem vollständig gelöst, indem wir Geräte kleiner als ein paar Nanometer machen können. Dies wird das Paradigma des Mooreschen Gesetzes verändern.“
Mehr Informationen:
Nicht-epitaxiale Einzeldomänen-2D-Heterostrukturen im Wafermaßstab, die durch begrenztes Schicht-für-Schicht-Wachstum erhalten werden, Natur (2023).