Wetenschappers kweken ‘perfecte’ atoomdunne materialen op industriële siliciumwafels

Trouw aan de wet van Moore is het aantal transistors op een microchip sinds de jaren zestig elk jaar verdubbeld. Maar er wordt voorspeld dat dit traject snel zal afvlakken omdat silicium – de ruggengraat van moderne transistors – zijn elektrische eigenschappen verliest zodra apparaten die van dit materiaal zijn gemaakt, onder een bepaalde grootte komen.

Betreed 2D-materialen – delicate, tweedimensionale vellen van perfecte kristallen die zo dun zijn als een enkel atoom. Op nanometerschaal kunnen 2D-materialen elektronen veel efficiënter geleiden dan silicium. De zoektocht naar transistormaterialen van de volgende generatie heeft zich daarom gericht op 2D-materialen als mogelijke opvolgers van silicium.

Maar voordat de elektronica-industrie kan overstappen op 2D-materialen, moeten wetenschappers eerst een manier vinden om de materialen te engineeren op industriestandaard siliciumwafels met behoud van hun perfecte kristallijne vorm. En MIT-ingenieurs hebben nu misschien een oplossing.

Het team heeft een methode ontwikkeld waarmee chipfabrikanten steeds kleinere transistors kunnen maken van 2D-materialen door ze te laten groeien op bestaande wafels van silicium en andere materialen. De nieuwe methode is een vorm van “niet-pitaxiale, enkelkristallijne groei”, die het team voor het eerst gebruikte om zuivere, defectvrije 2D-materialen op industriële siliciumwafels te laten groeien.

Met hun methode vervaardigde het team een ​​eenvoudige functionele transistor van een soort 2D-materialen genaamd overgangsmetaal-dichalcogeniden, of TMD’s, waarvan bekend is dat ze elektriciteit beter geleiden dan silicium op nanometerschaal.

“We verwachten dat onze technologie de ontwikkeling van op 2D-halfgeleiders gebaseerde, hoogwaardige elektronische apparaten van de volgende generatie mogelijk maakt”, zegt Jeehwan Kim, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde aan het MIT. “We hebben een manier ontgrendeld om de wet van Moore in te halen met behulp van 2D-materialen.”

Kim en zijn collega’s beschrijven hun methode in een artikel dat verschijnt in Natuur. De MIT co-auteurs van de studie zijn Ki Seok Kim, Doyoon Lee, Celesta Chang, Seunghwan Seo, Hyunseok Kim, Jiho Shin, Sangho Lee, Jun Min Suh en Bo-In Park, samen met medewerkers van de Universiteit van Texas in Dallas, de University of California in Riverside, Washington University in Saint Louis en instellingen in heel Zuid-Korea.

Een kristallen lappendeken

Om een ​​2D-materiaal te produceren, hebben onderzoekers meestal een handmatig proces toegepast waarbij een atoomdunne vlok zorgvuldig wordt geëxfolieerd van een bulkmateriaal, zoals het wegpellen van de lagen van een ui.

Maar de meeste bulkmaterialen zijn polykristallijn en bevatten meerdere kristallen die in willekeurige oriëntaties groeien. Waar het ene kristal het andere ontmoet, fungeert de “korrelgrens” als een elektrische barrière. Alle elektronen die door een kristal stromen, stoppen plotseling wanneer ze een kristal met een andere oriëntatie ontmoeten, waardoor de geleidbaarheid van een materiaal wordt gedempt. Zelfs nadat een 2D-schilfer is geëxfolieerd, moeten onderzoekers de schilfer doorzoeken op “enkelkristallijne” regio’s – een vervelend en tijdrovend proces dat moeilijk toe te passen is op industriële schaal.

Onlangs hebben onderzoekers andere manieren gevonden om 2D-materialen te fabriceren, door ze te laten groeien op wafers van saffier – een materiaal met een zeshoekig patroon van atomen dat 2D-materialen aanmoedigt om in dezelfde, enkelkristallijne oriëntatie te assembleren.

“Maar niemand gebruikt saffier in de geheugen- of logica-industrie”, zegt Kim. “Alle infrastructuur is gebaseerd op silicium. Voor de verwerking van halfgeleiders heb je siliciumwafels nodig.”

Wafers van silicium missen echter de zeshoekige ondersteunende steiger van saffier. Wanneer onderzoekers 2D-materialen op silicium proberen te laten groeien, is het resultaat een willekeurig lappendeken van kristallen die lukraak samenvloeien en talloze korrelgrenzen vormen die de geleidbaarheid belemmeren.

“Het wordt als bijna onmogelijk beschouwd om enkelkristallijne 2D-materialen op silicium te laten groeien”, zegt Kim. “Nu laten we zien dat je het kunt. En onze truc is om de vorming van korrelgrenzen te voorkomen.”

Zaad zakken

De nieuwe “niet-pitaxiale, enkelkristallijne groei” van het team vereist geen peeling en zoeken naar vlokken van 2D-materiaal. In plaats daarvan gebruiken de onderzoekers conventionele opdampmethoden om atomen over een siliciumwafel te pompen. De atomen nestelen zich uiteindelijk op de wafel en kiemen, en groeien uit tot tweedimensionale kristaloriëntaties. Als ze alleen zouden worden gelaten, zou elke “kern” of kiem van een kristal in willekeurige oriëntaties over de siliciumwafel groeien. Maar Kim en zijn collega’s hebben een manier gevonden om elk groeiend kristal uit te lijnen om enkelkristallijne gebieden over de hele wafel te creëren.

Om dit te doen, bedekten ze eerst een siliciumwafel in een “masker” – een laag siliciumdioxide die ze in patroon brachten in kleine zakjes, elk ontworpen om een ​​kristalzaad te vangen. Over de gemaskeerde wafel lieten ze vervolgens een gas van atomen stromen dat zich in elke zak nestelde om een ​​2D-materiaal te vormen – in dit geval een TMD. De zakken van het masker brachten de atomen samen en moedigden hen aan om zich in dezelfde enkelkristallijne oriëntatie op de siliciumwafer te verzamelen.

“Dat is een heel schokkend resultaat”, zegt Kim. “Je hebt overal enkelkristallijne groei, zelfs als er geen epitaxiale relatie is tussen het 2D-materiaal en de siliciumwafel.”

Met hun maskeermethode fabriceerde het team een ​​eenvoudige TMD-transistor en toonde aan dat de elektrische prestaties net zo goed waren als een zuivere vlok van hetzelfde materiaal.

Ze pasten de methode ook toe om een ​​meerlagig apparaat te ontwerpen. Nadat ze een siliciumwafel met een patroonmasker hadden bedekt, groeiden ze één type 2D-materiaal om de helft van elk vierkant te vullen, en groeiden vervolgens een tweede type 2D-materiaal over de eerste laag om de rest van de vierkanten te vullen. Het resultaat was een ultradunne enkelkristallijne dubbellaagse structuur binnen elk vierkant. Kim zegt dat in de toekomst meerdere 2D-materialen op deze manier kunnen worden gekweekt en op elkaar kunnen worden gestapeld om ultradunne, flexibele en multifunctionele films te maken.

“Tot nu toe was er geen manier om 2D-materialen in enkelkristallijne vorm op siliciumwafels te maken, dus de hele gemeenschap heeft het bijna opgegeven om 2D-materialen na te streven voor processors van de volgende generatie”, zegt Kim. “Nu hebben we dit probleem volledig opgelost, met een manier om apparaten kleiner dan een paar nanometer te maken. Dit zal het paradigma van de wet van Moore veranderen.”