MIT-Ingenieure produzieren atomdünne Materialien auf Siliziumplatten

MIT-Ingenieure erstellen atomdünne Materialien auf Siliziumplatten
MIT-Ingenieure erzeugen atomdünne Materialien auf Siliziumplatten - Durch Abscheiden von Atomen auf einem Wafer, der mit einer "Maske" (oben links) bedeckt ist, können MIT-Ingenieure die Atome in separaten Taschen der Maske (Mitte) sammeln und die Atome zu perfekten, 2-dimensionale, einkristalline Schichten bereitstellen können (unten rechts). Credits: Mit freundlicher Genehmigung der Forscher. Herausgegeben von MIT News.

Das von ihnen entwickelte Verfahren könnte es Chipherstellern ermöglichen, Transistoren der nächsten Generation aus anderen Materialien als Silizium herzustellen. Gitter aus quadratischen Löchern auf einem rosafarbenen Chip. Der Chip wird dreimal wiederholt. Grüne und weiße Atome sind auf dem Chip in der oberen linken Ecke eingestreut. In der Mitte sind die Atome in dreieckigen Konfigurationen innerhalb der quadratischen Löcher angeordnet. Eine Nahaufnahme genau ausgerichteter Atomreihen ist rechts zu sehen.

Die Anzahl der Transistoren auf einem Mikrochip hat sich seit den 1960er Jahren jedes Jahr verdoppelt, wie es das Moore'sche Gesetz vorhersagt. Es wird jedoch vorhergesagt, dass dieser Trend schließlich stagniert, da Silizium seine elektrischen Eigenschaften unterhalb einer bestimmten Gerätegröße verliert.

Lassen Sie uns über 2D-Materialien sprechen, bei denen es sich um spröde, zweidimensionale Schichten makelloser Kristalle handelt, die nur ein Atom dick sind. 2D-Materialien können Elektronen im Nanobereich viel effektiver transportieren als Silizium. Daher haben 2D-Materialien bei der Suche nach Transistormaterialien der nächsten Generation, die Silizium ersetzen können, viel Aufmerksamkeit erhalten.

Doch bevor die Elektronikindustrie zu 2D-Materialien übergehen kann, müssen Forscher herausfinden, wie Materialien auf Siliziumchips entworfen werden können, die Industriestandards erfüllen und gleichzeitig ideale Kristallformen beibehalten. Ingenieure vom MIT könnten jetzt eine Lösung haben.

Transistoren aus 2D-Materialien

Das Team hat eine Technik entwickelt, die es Chipherstellern ermöglichen könnte, Transistoren aus dünneren 2D-Materialien herzustellen, indem sie auf Chips aus Silizium und anderen derzeit verwendeten Materialien wachsen.
Die innovative Technik, die das Team erstmals anwendete, um reine, defektfreie 2D-Materialien auf industriellen Siliziumwafern herzustellen, ist eine Art „nicht-epitaxiales Einkristallwachstum“.

Die Technik des Teams ermöglichte es ihnen, einen grundlegenden Funktionstransistor aus einer Klasse von 2D-Materialien zu schaffen, die als Übergangsmetalldichalkogenide oder TMDs bekannt sind und bekanntermaßen Elektrizität im Nanobereich effektiver leiten als Silizium.
Laut Jeehwan Kim, außerordentlicher Professor für Maschinenbau am MIT, „glauben wir, dass unser Ansatz die Entwicklung von elektronischen Hochleistungsgeräten der nächsten Generation auf 2D-Halbleiterbasis ermöglichen könnte.“ „Wir haben eine Technik gefunden, die 2D-Materialien verwendet, um das Mooresche Gesetz zu erfassen.“

In einer heute in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichten Studie beschreiben Kim und Kollegen ihre Methode.
Traditionell verwenden Forscher ein manuelles Verfahren, bei dem eine atomdünne Schale akribisch von einem Schüttgut abgeschält wird, ähnlich wie beim Abziehen der Schichten einer Zwiebel.

Die meisten Massenmaterialien sind jedoch polykristallin und bestehen aus vielen Kristallen, die in verschiedene Richtungen wachsen. Die „Korngrenze“ wirkt als elektrische Barriere, wo die beiden Kristalle kollidieren. Elektronen, die einen Kristall passieren und auf einen Kristall mit einer anderen Orientierung treffen, hören plötzlich auf und verringern die Leitfähigkeit des Materials. Selbst nach dem Exfolieren einer 2D-Skala müssen die Forscher nach "einkristallinen" Regionen suchen; dies ist ein schwieriges, ermüdendes und zeitraubendes Verfahren, um es im kommerziellen Maßstab zu implementieren.
Laut Kim gelten einkristalline 2D-Materialien als nahezu schwierig auf Silizium herzustellen. „Jetzt können wir beweisen, dass wir es können. Und unser Trick besteht darin, die Bildung von Korngrenzen zu verhindern.

Für die neue „nicht-epitaxiale, einkristalline Entwicklung“ des Teams ist es nicht notwendig, das 2D-Material abzublättern und zu betrachten. Stattdessen verwenden Wissenschaftler Standard-Dampfabscheidungstechniken, um Atome auf einen Siliziumchip zu pumpen. Irgendwann landen die Atome auf dem Chip, bilden Keime und wandeln sich in zweidimensionale Kristallorientierungen um. Jeder "Kern" oder Kristallkeim entwickelt sich auf dem Siliziumchip in einer zufälligen Richtung, wenn er unbeaufsichtigt bleibt. Aber Kim und seine Kollegen konnten jeden Kristall ausrichten, während er wuchs, um Bereiche von Einkristallen auf dem ganzen Chip zu erzeugen.

Dazu brachten sie zunächst eine „Maske“ aus Siliziumdioxid auf einen Siliziumchip auf, den sie in kleine Taschen strukturierten, die jeweils einen Kristallkeim enthalten sollten. Dann strömte ein Gas aus Atomen, die in jeder Tasche untergebracht waren, über die Maskierungsfolie, um ein 2D-Material (in diesem Fall ein TMD) zu bilden. Die Atome wurden von den Taschen der Maske gehalten, was sie dazu ermutigte, sich in einer einzigen, kristallinen Ausrichtung auf dem Siliziumchip zu treffen.
Obwohl es keine epitaktische Beziehung zwischen dem 2D-Material und dem Siliziumwafer gibt, erhält man laut Kim überall Einkristallwachstum.

Das Team erstellte mithilfe der Maskierungstechnik einen einfachen TMD-Transistor und zeigte, dass seine elektrische Leistung der eines reinen Stempels aus demselben Material ebenbürtig ist.

Sie verwendeten diese Technik auch, um ein mehrschichtiges Gerät zu entwerfen. Sie züchteten zuerst eine Art von 2D-Material, um die Hälfte jedes Quadrats auf einem Siliziumchip zu füllen, der mit einer gemusterten Maske bedeckt war, und dann eine andere Art von 2D-Material über der ersten Schicht, um die verbleibenden Quadrate auszufüllen. Als Ergebnis enthielt jedes Quadrat eine einkristalline, ultradünne Doppelschichtstruktur. Laut Kim könnten in Zukunft eine Vielzahl von 2D-Materialien entwickelt und auf diese Weise zu ultradünnen, flexiblen und multifunktionalen Folien gestapelt werden.
Kim behauptet, dass die gesamte Community danach strebt, Prozessoren der nächsten Generation zu entwickeln, ohne 2D-Materialien zu übertragen. „Bisher gab es keine Technik zur Herstellung von 2D-Materialien in Einkristallform auf Siliziumwafern“, sagt er. „Jetzt, da wir eine Technik gefunden haben, um Geräte herzustellen, die kleiner als ein paar Nanometer sind, haben wir diese Herausforderung vollständig gemeistert. Infolgedessen wird sich das Paradigma des Mooreschen Gesetzes ändern.

Quelle: news.mit.edu/

Günceleme: 23/01/2023 18:24

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