Nove AI aplikacije, poput robota za ćaskanje koji generišu prirodni ljudski jezik, zahtevaju gušće i moćnije kompjuterske čipove. Ali poluprovodnički čipovi se tradicionalno prave od masivnih materijala, koji su kutijaste 3D strukture, tako da je slaganje više slojeva tranzistora za stvaranje gušće integracije veoma teško.
Međutim, poluprovodnički tranzistori napravljeni od ultratankih 2D materijala, svaki debljine samo oko tri atoma, mogli bi da se slože kako bi se stvorili snažniji čipovi. U tom cilju, istraživači sa MIT-a su sada demonstrirali novu tehnologiju koja može efikasno i efikasno da „raste“ slojeve 2D materijala dihalkogenida prelaznog metala (TMD) direktno na vrhu potpuno izrađenog silicijumskog čipa kako bi se omogućile gušće integracije.
Uzgajanje 2D materijala direktno na silicijumsku CMOS pločicu predstavlja veliki izazov jer proces obično zahteva temperature od oko 600 stepeni Celzijusa, dok se silicijumski tranzistori i kola mogu pokvariti kada se zagreju iznad 400 stepeni. Sada je interdisciplinarni tim istraživača MIT-a razvio proces rasta na niskoj temperaturi koji ne oštećuje čip. Tehnologija omogućava da se 2D poluprovodnički tranzistori direktno integrišu na vrhu standardnih silikonskih kola.
U prošlosti, istraživači su uzgajali 2D materijale na drugim mestima, a zatim ih prenosili na čip ili pločicu. Ovo često uzrokuje nesavršenosti koje ometaju performanse konačnih uređaja i kola. Takođe, neometano prenošenje materijala postaje izuzetno teško na oblatni. Nasuprot tome, ovaj novi proces stvara glatki, veoma ujednačeni sloj na čitavoj pločici od 8 inča.
Nova tehnologija je takođe u stanju da značajno smanji vreme potrebno za uzgoj ovih materijala. Dok je prethodnim pristupima bilo potrebno više od jednog dana za uzgoj jednog sloja 2D materijala, novi pristup može razviti uniformni sloj TMD materijala za manje od sat vremena preko čitavih 8-inčnih pločica.
Zbog svoje brze brzine i visoke uniformnosti, nova tehnologija je omogućila istraživačima da uspešno integrišu sloj 2D materijala na mnogo veće površine nego što je ranije pokazano. Ovo čini njihov metod pogodnijim za upotrebu u komercijalnim aplikacijama, gde su oblatne od 8 inča ili veće ključne.
„Korišćenje 2D materijala je moćan način da se poveća gustina integrisanog kola. Ono što mi radimo je kao da gradimo višespratnu zgradu. Ako imate samo jedan sprat, što je uobičajen slučaj, neće moći da primi mnogo ljudi. Ali sa više spratova, zgrada će primiti više ljudi koji mogu da omoguće neverovatne nove stvari. Zahvaljujući heterogenoj integraciji na kojoj radimo, imamo silicijum kao prvi sprat, a zatim možemo imati mnogo spratova od 2D materijala direktno integrisanih na vrhu“, kaže Jiadi Zhu, diplomirani student elektrotehnike i računarstva i ko-vodeći autor rada o ovoj novoj tehnici.
Žu je napisao rad sa koautorom Ji-Hoon Parkom, postdoktorom na MIT-u; dopisni autori Jing Kong, profesor elektrotehnike i računarstva (EECS) i član Istraživačke laboratorije za elektroniku; i Tomas Palacios, profesor EECS-a i direktor Microsistems Technologi Laboratories (MTL); kao i drugi u MIT-u, MIT Lincoln Laboratori, Oak Ridge National Laboratori i Ericsson Research. Rad se danas pojavljuje u Nature Nanotechnologi.
2D materijal na koji su se istraživači fokusirali, molibden disulfid, fleksibilan je, providan i pokazuje snažna elektronska i fotonska svojstva koja ga čine idealnim za poluprovodnički tranzistor. Sastoji se od sloja molibdena od jednog atoma u sendviču između dva atoma sulfida.
Rastuće tanke filmove molibden disulfida na površini sa dobrom uniformnošću često se postiže procesom poznatim kao metalno-organsko hemijsko taloženje pare (MOCVD). Molibden heksakarbonil i dietilen sumpor, dva organska hemijska jedinjenja koja sadrže molibden i atome sumpora, isparavaju i zagrevaju se unutar reakcione komore, gde se „razlažu“ na manje molekule. Zatim se povezuju kroz hemijske reakcije da bi formirali lance molibden disulfida na površini.
Ali za razlaganje ovih jedinjenja molibdena i sumpora, koja su poznata kao prekursori, potrebne su temperature iznad 550 stepeni Celzijusa, dok silicijumska kola počinju da se razgrađuju kada temperature pređu 400 stepeni.
Dakle, istraživači su počeli razmišljanjem van okvira – dizajnirali su i izgradili potpuno novu peć za proces taloženja metalno-organskih hemijskih para.
Rerna se sastoji od dve komore, niskotemperaturnog regiona u prednjem delu, gde je postavljena silikonska pločica, i oblasti visoke temperature pozadi. Ispareni prekursori molibdena i sumpora se upumpavaju u peć. Molibden ostaje u oblasti niskih temperatura, gde se temperatura održava ispod 400 stepeni Celzijusa – dovoljno vruće da razgradi prethodnik molibdena, ali ne toliko da ošteti silicijumski čip.
Prekursor sumpora teče u područje visoke temperature, gde se razlaže. Zatim se vraća u oblast niskih temperatura, gde dolazi do hemijske reakcije za rast molibden disulfida na površini pločice.
„O razlaganju možete razmišljati kao o pravljenju crnog bibera—imate celo zrno bibera i sameljete ga u prah. Dakle, mi razbijemo i sameljemo biber u oblasti visoke temperature, a zatim prah teče nazad u nisku temperaturu. region“, objašnjava Žu.
Jedan od problema sa ovim procesom je što silikonska kola obično imaju aluminijum ili bakar kao gornji sloj, tako da se čip može povezati sa paketom ili nosačem pre nego što se montira na štampanu ploču. Ali sumpor uzrokuje sumpor ovih metala, na isti način na koji neki metali rđaju kada su izloženi kiseoniku, što uništava njihovu provodljivost. Istraživači su sprečili sumporizaciju tako što su prvo nanosili veoma tanak sloj pasivirajućeg materijala na vrh čipa. Zatim su kasnije mogli da otvore sloj pasivacije da bi uspostavili veze.
Takođe su postavili silicijumsku pločicu u niskotemperaturnu oblast peći vertikalno, a ne horizontalno. Postavljanjem vertikalno, nijedan kraj nije preblizu visokotemperaturnom području, tako da nijedan deo oblatne nije oštećen toplotom. Pored toga, molekuli molibdena i sumpornog gasa se vrte okolo dok se sudaraju sa vertikalnim čipom, umesto da teku preko horizontalne površine. Ovaj efekat cirkulacije poboljšava rast molibden disulfida i dovodi do bolje uniformnosti materijala.
Pored toga što je dao ujednačeniji sloj, njihov metod je takođe bio mnogo brži od drugih MOCVD procesa. Mogli bi da rastu sloj za manje od sat vremena, dok obično proces rasta MOCVD traje najmanje ceo dan.
Koristeći najsavremenije MIT.Nano objekte, uspeli su da pokažu visoku uniformnost i kvalitet materijala preko 8-inčne silikonske pločice, što je posebno važno za industrijske primene gde su potrebne veće pločice.
„Skraćivanjem vremena rasta, proces je mnogo efikasniji i mogao bi se lakše integrisati u industrijske proizvodnje. Osim toga, ovo je proces niske temperature kompatibilan sa silicijumom, koji može biti koristan za guranje 2D materijala dalje u industriju poluprovodnika“, kaže Žu.
U budućnosti, istraživači žele da fino podese svoju tehniku i koriste je za uzgoj mnogih naslaganih slojeva 2D tranzistora. Pored toga, žele da istraže upotrebu procesa rasta na niskim temperaturama za fleksibilne površine, poput polimera, tekstila ili čak papira. Ovo bi moglo omogućiti integraciju poluprovodnika u svakodnevne predmete kao što su odeća ili sveske.
„Ovaj rad je napravio važan napredak u tehnologiji sinteze jednoslojnog molibden disulfidnog materijala“, kaže Han Vang, katedra za ranu karijeru Robert G. i Mari G. Lane i vanredni profesor elektrotehnike i računarstva i hemijskog inženjerstva i nauke o materijalima na Univerziteta Južne Kalifornije, koji nije bio uključen u ovo istraživanje. „Nova mogućnost niskog rasta toplotnog budžeta na skali od 8 inča omogućava pozadinsku integraciju ovog materijala sa silicijumskom CMOS tehnologijom i utire put za njegovu buduću primenu u elektronici.
