Powstające aplikacje sztucznej inteligencji, takie jak chatboty generujące naturalny język ludzki, wymagają gęstszych i mocniejszych układów komputerowych. Ale chipy półprzewodnikowe są tradycyjnie wytwarzane z materiałów masowych, które są pudełkowatymi strukturami 3D, więc układanie wielu warstw tranzystorów w celu stworzenia gęstszych integracji jest bardzo trudne.
Jednak tranzystory półprzewodnikowe wykonane z ultracienkich materiałów 2D, każdy o grubości zaledwie trzech atomów, można układać w stosy, aby tworzyć mocniejsze układy scalone. W tym celu naukowcy z MIT zademonstrowali teraz nowatorską technologię, która może skutecznie i wydajnie „hodować” warstwy dwuwymiarowych dichalkogenków metali przejściowych (TMD) bezpośrednio na wierzchu w pełni wykonanego chipa krzemowego, aby umożliwić gęstszą integrację.
Uprawa materiałów 2D bezpośrednio na krzemowej płytce CMOS stanowiła duże wyzwanie, ponieważ proces ten zwykle wymaga temperatury około 600 stopni Celsjusza, podczas gdy krzemowe tranzystory i obwody mogą się zepsuć po podgrzaniu powyżej 400 stopni. Teraz interdyscyplinarny zespół naukowców z MIT opracował proces wzrostu w niskiej temperaturze, który nie uszkadza chipa. Technologia umożliwia bezpośrednią integrację tranzystorów półprzewodnikowych 2D na standardowych obwodach krzemowych.
W przeszłości naukowcy hodowali materiały 2D w innych miejscach, a następnie przenosili je na chip lub płytkę. Powoduje to często niedoskonałości, które utrudniają działanie końcowych urządzeń i obwodów. Ponadto płynne przenoszenie materiału staje się niezwykle trudne w skali waflowej. Z kolei ten nowy proces pozwala uzyskać gładką, bardzo jednolitą warstwę na całej 8-calowej płytce.
Nowa technologia jest również w stanie znacznie skrócić czas potrzebny do wyhodowania tych materiałów. Podczas gdy poprzednie podejścia wymagały więcej niż jednego dnia, aby wyhodować pojedynczą warstwę materiałów 2D, nowe podejście może wyhodować jednolitą warstwę materiału TMD w mniej niż godzinę na całych 8-calowych płytkach.
Dzięki dużej szybkości i wysokiej jednorodności nowa technologia umożliwiła naukowcom pomyślne zintegrowanie warstwy materiału 2D na znacznie większych powierzchniach niż wcześniej wykazano. To sprawia, że ich metoda lepiej nadaje się do zastosowań komercyjnych, w których kluczowe są płytki o średnicy 8 cali lub większej.
„Używanie materiałów 2D to potężny sposób na zwiększenie gęstości układu scalonego. To, co robimy, przypomina budowanie wielopiętrowego budynku. Jeśli masz tylko jedno piętro, co jest konwencjonalnym przypadkiem, nie pomieści wielu ludzi. Ale z większą liczbą pięter, budynek pomieści więcej ludzi, którzy będą mogli tworzyć niesamowite nowe rzeczy. Dzięki heterogenicznej integracji, nad którą pracujemy, mamy krzem jako pierwsze piętro, a następnie możemy mieć wiele podłóg z materiałów 2D bezpośrednio zintegrowanych na górze ” mówi Jiadi Zhu, absolwent elektrotechniki i informatyki oraz współautor artykułu na temat tej nowej techniki.
Zhu napisał artykuł ze współautorem Ji-Hoon Parkiem, doktorem habilitowanym MIT; autorzy korespondenci Jing Kong, profesor inżynierii elektrycznej i informatyki (EECS) oraz członek Laboratorium Badawczego Elektroniki; oraz Tomás Palacios, profesor EECS i dyrektor Microsystems Technology Laboratories (MTL); a także inni w MIT, MIT Lincoln Laboratory, Oak Ridge National Laboratory i Ericsson Research. Artykuł ukazał się dzisiaj w Nature Nanotechnology.
Smukłe materiały o ogromnym potencjale
Materiał 2D, na którym skupili się naukowcy, dwusiarczek molibdenu, jest elastyczny, przezroczysty i wykazuje silne właściwości elektroniczne i fotoniczne, dzięki czemu idealnie nadaje się na tranzystor półprzewodnikowy. Składa się z jednoatomowej warstwy molibdenu umieszczonej pomiędzy dwoma atomami siarczku.
Rosnące cienkie warstwy dwusiarczku molibdenu na powierzchni o dobrej jednorodności są często osiągane w procesie znanym jako chemiczne osadzanie z fazy gazowej metaloorganiczne (MOCVD). Heksakarbonyl molibdenu i siarka dietylenowa, dwa organiczne związki chemiczne zawierające atomy molibdenu i siarki, odparowują i są podgrzewane w komorze reakcyjnej, gdzie „rozkładają się” na mniejsze cząsteczki. Następnie łączą się poprzez reakcje chemiczne, tworząc łańcuchy dwusiarczku molibdenu na powierzchni.
Ale rozkład tych związków molibdenu i siarki, które są znane jako prekursory, wymaga temperatur powyżej 550 stopni Celsjusza, podczas gdy obwody krzemowe zaczynają się degradować, gdy temperatura przekracza 400 stopni.
Tak więc naukowcy zaczęli od myślenia nieszablonowego – zaprojektowali i zbudowali całkowicie nowy piec do procesu osadzania chemikaliów metaloorganicznych z fazy gazowej.
Piekarnik składa się z dwóch komór, obszaru o niskiej temperaturze z przodu, w którym umieszczona jest płytka silikonowa, oraz obszaru o wysokiej temperaturze z tyłu. Do pieca pompowane są odparowane prekursory molibdenu i siarki. Molibden pozostaje w obszarze niskich temperatur, gdzie temperatura jest utrzymywana poniżej 400 stopni Celsjusza – wystarczająco wysoka, aby rozłożyć prekursor molibdenu, ale nie tak gorąca, aby uszkodzić chip krzemowy.
Prekursor siarki przepływa do obszaru o wysokiej temperaturze, gdzie ulega rozkładowi. Następnie przepływa z powrotem do obszaru niskich temperatur, gdzie zachodzi reakcja chemiczna polegająca na wyhodowaniu dwusiarczku molibdenu na powierzchni płytki.
„Możesz myśleć o rozkładzie jak o robieniu czarnego pieprzu – masz całe ziarno pieprzu i mielesz je do postaci proszku. Więc rozgniatamy i mielimy pieprz w obszarze wysokiej temperatury, a następnie proszek spływa z powrotem do nisko- zakres temperatur” — wyjaśnia Zhu.
Szybszy wzrost i lepsza jednolitość
Jednym z problemów związanych z tym procesem jest to, że obwody krzemowe mają zwykle aluminium lub miedź jako górną warstwę, więc chip można podłączyć do opakowania lub nośnika przed zamontowaniem go na płytce drukowanej. Ale siarka powoduje siarkowanie tych metali, w ten sam sposób, w jaki niektóre metale rdzewieją pod wpływem tlenu, który niszczy ich przewodnictwo. Naukowcy zapobiegli zasiarczeniu, najpierw osadzając bardzo cienką warstwę materiału pasywacyjnego na wierzchu chipa. Następnie mogli później otworzyć warstwę pasywacyjną, aby wykonać połączenia.
Umieścili również płytkę krzemową w obszarze niskiej temperatury pieca pionowo, a nie poziomo. Umieszczając go pionowo, żaden koniec nie znajduje się zbyt blisko obszaru o wysokiej temperaturze, więc żadna część płytki nie zostanie uszkodzona przez ciepło. Ponadto cząsteczki gazowego molibdenu i siarki wirują, gdy zderzają się z pionowym chipem, zamiast przepływać po poziomej powierzchni. Ten efekt cyrkulacji poprawia wzrost dwusiarczku molibdenu i prowadzi do lepszej jednorodności materiału.
Oprócz uzyskania bardziej jednolitej warstwy, ich metoda była również znacznie szybsza niż inne procesy MOCVD. Mogli wyhodować warstwę w mniej niż godzinę, podczas gdy zazwyczaj proces wzrostu MOCVD zajmuje co najmniej cały dzień.
Korzystając z najnowocześniejszych urządzeń MIT.Nano, byli w stanie zademonstrować wysoką jednorodność i jakość materiału w 8-calowej płytce krzemowej, co jest szczególnie ważne w zastosowaniach przemysłowych, w których potrzebne są większe płytki.
„Dzięki skróceniu czasu wzrostu proces jest znacznie bardziej wydajny i można go łatwiej zintegrować z produkcją przemysłową. Ponadto jest to proces niskotemperaturowy kompatybilny z silikonem, który może być przydatny do dalszego wprowadzania materiałów 2D do przemysłu półprzewodników, — mówi Zhu.
W przyszłości naukowcy chcą udoskonalić swoją technikę i wykorzystać ją do wyhodowania wielu ułożonych w stos warstw tranzystorów 2D. Ponadto chcą zbadać zastosowanie procesu wzrostu w niskiej temperaturze do elastycznych powierzchni, takich jak polimery, tekstylia, a nawet papiery. Może to umożliwić integrację półprzewodników z przedmiotami codziennego użytku, takimi jak ubrania czy notebooki.
Ta praca jest częściowo finansowana przez MIT Institute for Soldier Nanotechnologies, National Science Foundation Center for Integrated Quantum Materials, Ericsson, MITRE, US Army Research Office i Departament Energii USA. Projekt skorzystał również ze wsparcia TSMC University Shuttle.