Züchten eines 2D-Funktionstransistors auf einem Siliziumwafer

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Getreu dem Mooreschen Gesetz hat sich die Anzahl der Transistoren auf einem Mikrochip seit den 1960er Jahren jedes Jahr verdoppelt. Es wird jedoch erwartet, dass dieser Trend bald ein Plateau erreichen wird, da Silizium – das Rückgrat moderner Transistoren – seine elektrischen Eigenschaften verliert, sobald Geräte aus diesem Material eine bestimmte Größe unterschreiten.

Betreten Sie 2D-Materialien – zarte, zweidimensionale Schichten perfekter Kristalle, die so dünn wie ein einzelnes Atom sind. Im Nanometerbereich können 2D-Materialien Elektronen weitaus effizienter leiten als Silizium. Die Suche nach Transistormaterialien der nächsten Generation hat sich daher auf 2D-Materialien als potenzielle Nachfolger von Silizium konzentriert.

Doch bevor die Elektronikindustrie auf 2D-Materialien umsteigen kann, müssen Wissenschaftler zunächst einen Weg finden, die Materialien auf Siliziumwafern nach Industriestandard zu konstruieren und dabei ihre perfekte kristalline Form zu bewahren. Und MIT-Ingenieure haben möglicherweise jetzt eine Lösung.

Das Team hat eine Methode entwickelt, die es Chipherstellern ermöglichen könnte, immer kleinere Transistoren aus 2D-Materialien herzustellen, indem sie sie auf vorhandenen Wafern aus Silizium und anderen Materialien wachsen lassen. Bei der neuen Methode handelt es sich um eine Form des „nichtepitataktischen, einkristallinen Wachstums“, mit der das Team erstmals reine, defektfreie 2D-Materialien auf industriellen Siliziumwafern wachsen ließ.

Mit ihrer Methode stellte das Team einen einfachen funktionalen Transistor aus zweidimensionalen Materialien her, die als Übergangsmetalldichalkogenide (TMDs) bezeichnet werden und bekanntermaßen Elektrizität im Nanometermaßstab besser leiten als Silizium.

„Wir gehen davon aus, dass unsere Technologie die Entwicklung von 2D-halbleiterbasierten, leistungsstarken elektronischen Geräten der nächsten Generation ermöglichen könnte“, sagte Jeehwan Kim, außerordentlicher Professor für Maschinenbau am MIT. „Wir haben eine Möglichkeit erschlossen, Moores Gesetz mithilfe von 2D-Materialien nachzuholen.“ Kim und seine Kollegen beschreiben ihre Methode in einem Artikel, der in Nature erscheint.

Um ein 2D-Material herzustellen, verwendeten Forscher typischerweise einen manuellen Prozess, bei dem eine atomar dünne Flocke vorsichtig von einem Massenmaterial abgeblättert wird, ähnlich wie das Abschälen der Schichten einer Zwiebel.

Die meisten Massenmaterialien sind jedoch polykristallin und enthalten mehrere Kristalle, die in zufälliger Ausrichtung wachsen. Wo ein Kristall auf einen anderen trifft, fungiert die „Korngrenze“ als elektrische Barriere. Alle Elektronen, die durch einen Kristall fließen, stoppen plötzlich, wenn sie auf einen Kristall mit einer anderen Ausrichtung treffen, wodurch die Leitfähigkeit eines Materials gedämpft wird. Nach dem Abblättern einer 2D-Flocke müssen die Forscher die Flocke nach „einkristallinen“ Regionen durchsuchen – ein mühsamer und zeitintensiver Prozess, der im industriellen Maßstab nur schwer anzuwenden ist.

Kürzlich haben Forscher andere Wege gefunden, 2D-Materialien herzustellen, indem sie sie auf Saphirwafern wachsen lassen – einem Material mit einem hexagonalen Atommuster, das die Anordnung von 2D-Materialien in derselben einkristallinen Ausrichtung fördert.

„Aber niemand verwendet Saphir in der Speicher- oder Logikindustrie“, sagt Kim. „Die gesamte Infrastruktur basiert auf Silizium. Für die Halbleiterverarbeitung müssen Siliziumwafer verwendet werden.“ Allerdings fehlt Siliziumwafern das sechseckige Stützgerüst des Saphirs. Wenn Forscher also versuchen, 2D-Materialien auf Silizium wachsen zu lassen, ist das Ergebnis ein zufälliges Flickenteppich aus Kristallen, die willkürlich verschmelzen und zahlreiche Korngrenzen bilden, die die Leitfähigkeit beeinträchtigen.

Das neue „nichtepitataktische, einkristalline Wachstum“ des Teams erfordert kein Ablösen und Suchen von Flocken aus 2D-Material. Stattdessen verwenden die Forscher herkömmliche Methoden der Gasphasenabscheidung, um Atome über einen Siliziumwafer zu pumpen. Die Atome setzen sich schließlich auf dem Wafer ab, bilden Keime und wachsen zu zweidimensionalen Kristallorientierungen heran. Wenn man sie in Ruhe ließe, würde jeder „Kern“ oder Keim eines Kristalls in einer zufälligen Ausrichtung über den Siliziumwafer wachsen. Aber Kim und seine Kollegen fanden einen Weg, jeden wachsenden Kristall so auszurichten, dass einkristalline Bereiche über den gesamten Wafer hinweg entstehen.

Dazu bedeckten sie zunächst einen Siliziumwafer mit einer „Maske“ – einer Schicht aus Siliziumdioxid, die sie in winzige Taschen strukturierten, die jeweils einen Kristallkeim einfangen sollten. Über den maskierten Wafer ließen sie dann ein Atomgas strömen, das sich in jeder Tasche absetzte, um ein 2D-Material zu bilden – in diesem Fall ein TMD. Die Taschen der Maske sammelten die Atome und ermutigten sie, sich in der gleichen einkristallinen Ausrichtung auf dem Siliziumwafer anzuordnen.

„Das ist ein sehr überraschendes Ergebnis“, sagte Kim. „Man findet überall einkristallines Wachstum, auch wenn zwischen dem 2D-Material und dem Siliziumwafer keine epitaktische Beziehung besteht.“

Mit ihrer Maskierungsmethode stellte das Team einen einfachen TMD-Transistor her und zeigte, dass seine elektrische Leistung genauso gut war wie die einer reinen Flocke aus demselben Material.

Sie wandten die Methode auch an, um ein mehrschichtiges Gerät zu entwickeln. Nachdem sie einen Siliziumwafer mit einer gemusterten Maske bedeckt hatten, ließen sie eine Art von 2D-Material wachsen, um die Hälfte jedes Quadrats zu füllen, und ließen dann eine zweite Art von 2D-Material über der ersten Schicht wachsen, um den Rest der Quadrate zu füllen. Das Ergebnis war eine ultradünne, einkristalline Doppelschichtstruktur innerhalb jedes Quadrats. Kim sagt, dass in Zukunft mehrere 2D-Materialien auf diese Weise wachsen und gestapelt werden könnten, um ultradünne, flexible und multifunktionale Filme herzustellen.

„Bisher gab es keine Möglichkeit, 2D-Materialien in einkristalliner Form auf Siliziumwafern herzustellen, daher kämpfte die gesamte Community darum, Prozessoren der nächsten Generation zu realisieren, ohne 2D-Materialien zu übertragen“, sagt Kim. „Jetzt haben wir dieses Problem gelöst und eine Möglichkeit gefunden, Geräte kleiner als ein paar Nanometer herzustellen. Dies wird das Paradigma des Mooreschen Gesetzes verändern.“

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