MIT-ingenieurs kweken ‘perfecte’ atoomdunne materialen op industriële siliciumwafers

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

Tags:
schematische weergave van de werking van het proces
Door atomen af te zetten op een wafer bedekt met een “masker” (linksboven), kunnen MIT-ingenieurs de atomen in de afzonderlijke vakjes van het masker bijeendrijven (midden in het midden) en de atomen aanmoedigen om uit te groeien tot perfecte, 2D, enkelkristallijne lagen (onder Rechtsaf). Beeld: Met dank aan de onderzoekers en MIT News.

Het team heeft een methode ontwikkeld waarmee chipfabrikanten steeds kleinere transistors kunnen maken van 2D-materialen door ze te laten groeien op bestaande wafers 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 siliciumwafers te laten groeien.

Met hun methode vervaardigde het team een eenvoudige functionele transistor van overgangsmetaaldichalcogeniden (TMD’s) waarvan bekend is dat ze elektriciteit op nanometerschaal beter geleiden dan silicium.

“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 Nature.

Een kristallen lappendeken

Om een 2D-materiaal te produceren, gebruiken onderzoekers meestal een handmatig proces waarbij een atoomdunne vlok wordt geëxfolieerd van een bulkmateriaal, zoals bij het afpellen 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’ zone’s – een vervelend en tijdrovend proces dat moeilijk toe te passen is op industriële schaal.

Saffier

Onlangs hebben onderzoekers andere manieren gevonden om 2D-materialen te fabriceren, namelijk door ze te laten groeien op wafers van saffier – een materiaal met een hexagonaal 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 siliciumwafers nodig.”

Wafers van silicium missen echter de zeshoekige ondersteunende structuur 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.”

Zaaddozen

De ‘niet-pitaxiale, enkelkristallijne groei’ van het team vereist geen afpellen en zoeken naar vlokken van 2D-materiaal. In plaats daarvan gebruiken de onderzoekers conventionele opdampmethoden om atomen over een siliciumwafer te pompen. De atomen nestelen zich op de wafer, kiemen, en groeien uit tot tweedimensionale kristaloriëntaties. Van nature zou elke ‘kern’ of zaadje van een kristal in willekeurige oriëntaties over de wafer groeien. Maar Kim en zijn collega’s hebben een manier gevonden om elk groeiend kristal uit te lijnen om enkelkristallijne gebieden over de hele wafer te creëren.

Om dit te doen, bedekten ze eerst een siliciumwafel met een ‘masker’ – een laag siliciumdioxide met een patroon van vierkante uitsparingen, elk ontworpen om een kristalzaad te vangen. Hierover lieten ze een gas van atomen stromen dat zich in elke uitsparing nestelde om een 2D-materiaal te vormen – in dit geval een TMD. De uitsparingen brachten de atomen samen en moedigden hen aan om zich op de siliciumwafel te verzamelen in dezelfde, enkelkristallijne oriëntatie.

“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 siliciumwafer.”

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, kweekten ze één type 2D-materiaal om de helft van elk vierkant te vullen, en kweekten 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 gestapeld om ultradunne, flexibele en multifunctionele films te maken.

“Tot nu toe was het niet mogelijk om 2D-materialen in enkelkristallijne vorm op siliciumwafels te maken, dus de hele gemeenschap heeft moeite om processors van de volgende generatie te realiseren zonder 2D-materialen over te dragen”, zegt Kim. “Nu hebben we dit probleem volledig opgelost, met een manier om apparaten kleiner te maken dan een paar nanometer. Dit zal het paradigma van de wet van Moore veranderen.”

Tags:

Geef een antwoord

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *