Однако полупроводниковые транзисторы, изготовленные из ультратонких 2D-материалов, толщина каждого из которых составляет всего около трех атомов, можно было бы комбинировать для создания более мощных чипов. С этой целью исследователи Массачусетского технологического института продемонстрировали новую технологию, которая позволяет эффективно "выращивать" слои двумерных материалов из дихалькогенида переходного металла (TMD) непосредственно поверх полностью изготовленного кремниевого чипа для обеспечения более плотной интеграции.

Выращивание двумерных материалов непосредственно на кремниевой КМОП-пластине представляет собой серьезную проблему, поскольку для этого процесса обычно требуется температура около 600 градусов Цельсия, в то время как кремниевые транзисторы и схемы могут выйти из строя при нагреве выше 400 градусов. Теперь междисциплинарная команда исследователей Массачусетского технологического института разработала низкотемпературный процесс выращивания, который не повреждает чип. Технология позволяет непосредственно интегрировать двумерные полупроводниковые транзисторы поверх стандартных кремниевых схем.

В прошлом исследователи выращивали двумерные материалы в других местах, а затем переносили их на чип или пластину. Это часто приводит к несовершенствам, которые снижают производительность конечных устройств и схем. Кроме того, плавная передача материала становится чрезвычайно затруднительной в масштабе пластины. В отличие от этого, благодаря этому новому процессу получается гладкий, очень однородный слой по всей 8-дюймовой пластине.

Новая технология также способна значительно сократить время, необходимое для выращивания этих материалов. В то время как предыдущие подходы требовали более суток для выращивания одного слоя 2D-материалов, новый подход позволяет вырастить равномерный слой TMD-материала менее чем за час на целых 8-дюймовых пластинах.

Благодаря своей высокой скорости и однородности новая технология позволила исследователям успешно интегрировать двумерный слой материала на гораздо большие поверхности, чем было продемонстрировано ранее. Это делает их метод более подходящим для использования в коммерческих целях, где ключевыми являются пластины размером 8 дюймов или больше.

"Использование 2D-материалов - это мощный способ увеличить плотность интегральной схемы. То, что мы делаем, похоже на строительство многоэтажного здания. Если у вас только один этаж, что обычно бывает, то на нем не поместится много людей. Но с увеличением этажей в здании будет больше людей, которые смогут создавать удивительные новые вещи. Благодаря гетерогенной интеграции, над которой мы работаем, у нас есть кремний в качестве первого этажа, а затем мы можем создать множество этажей из 2D-материалов, непосредственно интегрированных сверху", - говорит Цзяди Чжу, аспирант по электротехнике и информатике и соавтор статьи об этой новой технике.

Чжу написал статью вместе с соавтором Джи-Хун Паком, постдоком Массачусетского технологического института; авторами-корреспондентами Цзин Конгом, профессором электротехники и компьютерных наук (EECS) и сотрудником исследовательской лаборатории электроники; и Томасом Паласиосом, профессором EECS и директором лаборатории микросистемных технологий (MTL); а также другие сотрудники Массачусетского технологического института, лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института, Национальной лаборатории Окриджа и Ericsson Research. Статья появилась сегодня в Природные нанотехнологии.

Тонкие материалы с огромным потенциалом

Двумерный материал, на котором сосредоточились исследователи, дисульфид молибдена, является гибким, прозрачным и обладает мощными электронными и фотонными свойствами, которые делают его идеальным для полупроводникового транзистора. Он состоит из одноатомного слоя молибдена, зажатого между двумя атомами сульфида.

Выращивание тонких пленок дисульфида молибдена на поверхности с хорошей однородностью часто осуществляется с помощью процесса, известного как металлоорганическое химическое осаждение из паровой фазы (MOCVD). Гексакарбонил молибдена и диэтиленсодержащая сера, два органических химических соединения, которые содержат атомы молибдена и серы, испаряются и нагреваются внутри реакционной камеры, где они "разлагаются" на более мелкие молекулы. Затем они соединяются в результате химических реакций, образуя цепочки дисульфида молибдена на поверхности.

Но для разложения этих соединений молибдена и серы, которые известны как предшественники, требуются температуры выше 550 градусов Цельсия, в то время как кремниевые схемы начинают разрушаться, когда температура превышает 400 градусов.

Итак, исследователи начали с нестандартного мышления - они спроектировали и построили совершенно новую печь для процесса химического осаждения металлорганических соединений из паровой фазы.

Печь состоит из двух камер: низкотемпературной области спереди, куда помещается кремниевая пластина, и высокотемпературной области сзади. Испаренные предшественники молибдена и серы закачиваются в печь. Молибден остается в низкотемпературной области, где температура поддерживается ниже 400 градусов Цельсия - достаточно высокая, чтобы разложить предшественник молибдена, но не настолько высокая, чтобы повредить кремниевый чип.

Предшественник серы поступает в высокотемпературную область, где он разлагается. Затем он поступает обратно в низкотемпературную область, где происходит химическая реакция с образованием дисульфида молибдена на поверхности пластины.

"Вы можете подумать о разложении, как о приготовлении черного перца - у вас есть целая горошина перца, и вы измельчаете ее в виде порошка. Итак, мы измельчаем перец при высокой температуре, затем порошок поступает обратно в низкотемпературную область", - объясняет Чжу.

Более быстрый рост и лучшая однородность

Одна из проблем этого процесса заключается в том, что кремниевые схемы обычно имеют алюминий или медь в качестве верхнего слоя, поэтому чип может быть подключен к корпусу или носителю перед его установкой на печатную плату. Но сера вызывает сульфирование этих металлов, точно так же, как некоторые металлы ржавеют под воздействием кислорода, который разрушает их проводимость. Исследователи предотвратили сульфурирование, сначала нанеся поверх чипа очень тонкий слой пассивирующего материала. Затем, позже, они могли бы открыть пассивирующий слой, чтобы установить соединения.

Они также поместили кремниевую пластину в низкотемпературную зону печи вертикально, а не горизонтально. При вертикальном размещении ни один из концов не находится слишком близко к области высокой температуры, поэтому ни одна часть пластины не повреждается нагревом. Кроме того, молекулы молибдена и сернистого газа вращаются, сталкиваясь с вертикальной стружкой, а не стекают по горизонтальной поверхности. Этот эффект циркуляции улучшает рост дисульфида молибдена и приводит к лучшей однородности материала.

В дополнение к получению более однородного слоя, их метод также был намного быстрее, чем другие процессы MOCVD. Они могут вырастить слой менее чем за час, в то время как обычно процесс выращивания MOCVD занимает по меньшей мере целый день.

Используя самый современный Массачусетский технологический институт.Благодаря нанотехнологиям они смогли продемонстрировать высокую однородность и качество материала на 8-дюймовой кремниевой пластине, что особенно важно для промышленного применения, где требуются пластины большего размера.

"За счет сокращения времени выращивания процесс становится намного эффективнее и может быть легче интегрирован в промышленное производство. Кроме того, это низкотемпературный процесс, совместимый с кремнием, который может быть полезен для дальнейшего внедрения 2D-материалов в полупроводниковую промышленность", - говорит Чжу.

В будущем исследователи хотят усовершенствовать свою технику и использовать ее для выращивания множества многослойных 2D-транзисторов. Кроме того, они хотят изучить возможность использования низкотемпературного процесса выращивания для гибких поверхностей, таких как полимеры, текстиль или даже бумага. Это могло бы позволить интегрировать полупроводники в повседневные предметы, такие как одежда или ноутбуки.

Эта работа частично финансируется Институтом солдатских нанотехнологий Массачусетского технологического института, Центром интегрированных квантовых материалов Национального научного фонда, Ericsson, MITRE, Исследовательским управлением армии США и Министерством энергетики США. Проект также получил поддержку TSMC University Shuttle.