Ученые Массачусетского технологического института научились выращивать на кремниевых пластинах двумерные монокристаллические структуры толщиной в один атом
Их технология может позволить производителям микросхем выпускать транзисторы следующего поколения на основе материалов, отличных от кремния.
В соответствии с законом Мура, количество транзисторов на микрочипе удваивалось каждый год с 1960-х годов. Но, по прогнозам, эта траектория скоро достигнет предела, поскольку кремний — основа современных транзисторов — теряет свои электрические свойства, как только устройства из этого материала становятся меньше определенного размера.
Но добро пожаловать в мир двумерных материалов — тонких листов из совершенных кристаллов толщиной в один атом. На уровне нанометров двумерные материалы могут проводить электроны гораздо эффективнее, чем кремний. Поэтому поиск материалов для транзисторов следующего поколения сосредоточился на двумерных материалах как потенциальных преемниках кремния.
Но прежде чем электронная промышленность сможет перейти на двумерные материалы, ученые должны найти способ создания таких материалов на стандартных кремниевых пластинах с сохранением их идеальной кристаллической формы. Возможно, у инженеров Массачусетского технологического института уже есть решение.
Команда МТИ разработала метод, который может позволить производителям микросхем изготавливать все более мелкие транзисторы из двумерных материалов, выращивая их на существующих пластинах из кремния и других материалов. Новый метод представляет собой форму НЕэпитаксиального, монокристаллического роста, который команда впервые использовала для выращивания чистых, бездефектных двумерных материалов на промышленных кремниевых пластинах.
С помощью своего метода команда изготовила простой функциональный транзистор из двумерных материалов под названием дихалькогениды переходных металлов, или ДПМ, которые, как известно, проводят электричество лучше, чем кремний в нанометровом масштабе.
«Мы ожидаем, что наша технология может позволить разработать высокопроизводительные электронные устройства нового поколения на основе двумерных полупроводников», — говорит Джихван Ким (Jeehwan Kim), доцент кафедры машиностроения Массачусетского технологического института. «Мы открыли способ соответствовать закону Мура, используя двумерные материалы».
Ким и его коллеги подробно описывают свой метод в статье, опубликованной в журнале Nature. В число соавторов исследования входят ученые из Массачусетского технологического института, Техасского университета в Далласе, Калифорнийского университета в Риверсайде, Вашингтонского университета в Сент-Луисе и институтов Южной Кореи.
Кристаллическая мозаика
Чтобы получить двумерный материал, исследователи обычно используют ручной процесс, в ходе которого тонкие атомарные чешуйки аккуратно отшелушиваются от объемного материала, подобно тому, как отслаиваются слои лука.
Но большинство сыпучих материалов являются поликристаллическими, содержащими множество кристаллов, которые растут в случайном направлении. Там, где один кристалл встречается с другим, межзёренная граница действует как электрический барьер. Любые электроны, проходящие через один кристалл, внезапно останавливаются при встрече с кристаллом другой ориентации, что снижает проводимость материала. Даже после отшелушивания двумерной чешуйки исследователи должны затем искать в ней монокристаллические области — утомительный и трудоемкий процесс, который трудно применить в промышленных масштабах.
Недавно исследователи нашли другие способы изготовления двумерных материалов, выращивая их на пластинах сапфира — материала с гексагональной структурой атомов, которая побуждает двумерные материалы собираться 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 не имеют гексагональной несущей основы сапфира. Когда исследователи пытаются вырастить двумерные материалы на кремнии, в результате получается беспорядочная россыпь кристаллов, которые сливаются бессистемно, образуя многочисленные границы зерен, препятствующие проводимости.
«Считается, что вырастить монокристаллические двумерные материалы на кремнии практически невозможно», — говорит Ким. «Теперь мы показали, что это возможно. И наша хитрость заключается в том, чтобы предотвратить образование межзёренной границы».
Карманы для «зёрен»
Новый метод неэпитаксиального монокристаллического роста не требует отслаивания и поиска чешуек двумерного материала. Вместо этого исследователи используют обычные методы химического осаждения из газовой фазы для напыления атомов на кремниевой пластине. В конечном итоге атомы оседают на пластине и образуют ядра, вырастая в двумерные кристаллические структуры. Если оставить их в покое, каждое ядро, или «зерно» кристалла, будет расти в случайных направлениях по всей кремниевой пластине. Но Ким и его коллеги нашли способ выровнять каждый растущий кристалл, чтобы создать монокристаллические области вдоль пластины.
Для этого они сначала покрыли кремниевую пластину маской — слоем диоксида кремния, который они разбили на крошечные «карманы», каждый из которых был предназначен для улавливания кристаллического «зерна». Затем по пластине с маской пустили газ с атомами, которые оседали в каждом кармане, образуя двумерный материал — в данном случае ДПМ. «Карманы» маски удерживали атомы и побуждали их собираться на кремниевой пластине в одной и той же монокристаллической ориентации.
«Это очень шокирующий результат», — говорит Ким, — «У вас везде монокристаллический рост, даже если между двумерным материалом и кремниевой пластиной нет эпитаксиальной связи».
Используя свой метод маскировки, команда изготовила простой ДПМ-транзистор и показала, что его электрические характеристики были такими же хорошими, как и у чистых чешуек того же материала.
Они также применили этот метод для создания многослойного устройства. Покрыв кремниевую пластину узорчатой маской, они вырастили один тип двумерного материала, заполнив половину каждого квадрата, а затем поверх первого слоя вырастили второй тип двумерного материала, заполнив остальные квадраты. В результате внутри каждого квадрата образовалась сверхтонкая монокристаллическая двухслойная структура. Ким говорит, что в будущем можно будет выращивать и складывать вместе несколько двумерных материалов таким образом, чтобы получать сверхтонкие, гибкие и многофункциональные пленки.
«До сих пор не существовало способа получения двумерных материалов в монокристаллической форме на кремниевых пластинах, поэтому научное сообщество пыталось реализовать процессоры нового поколения без использования двумерных материалов», — говорит Ким. «Теперь мы полностью решили эту проблему, получив возможность создавать устройства размером менее нескольких нанометров. Это изменит парадигму закона Мура».
Данное исследование было частично поддержано Агентством перспективных оборонных исследовательских проектов США (DARPA), Intel, программой IARPA MicroE4AI, MicroLink Devices, Inc, ROHM Co. и Samsung.
MIT News (перевод с английского выполнен при помощи DeepL)