Силициева пластина с отгледани върху нея транзистори обещава по-добри чипове
(снимка: MIT)
Учени от Масачузетския технологичен институт усвоиха метод за „отглеждане” на транзистори на атомно ниво директно върху повърхността на силициевите чипове. Практическата реализация на този подход ще увеличи плътността и производителността на полупроводниковите схеми.
Разработките с изкуствен интелект, като популярните напоследък чатботове, изискват по-плътни и по-мощни компютърни чипове. Но традиционните полупроводникови схеми са триизмерни структури и подреждането на множество слоеве транзистори за по-тясна интеграция е трудно. Транзисторите, направени от ултратънки двуизмерни материали, всеки с дебелина само около три атома, могат да бъдат подредени удачно за създаване на по-мощни чипове.
Нова, ефективна технология
Учените от MIT демонстрираха нова технология, която позволява ефективен и висококачествен „растеж” на слоеве от двуизмерни материали, направени от дихалкогениди на преходни метали (TMD), директно върху напълно завършен силициев чип, което позволява създаване на по-плътни и мощни схеми.
Отглеждането на 2D материали директно върху CMOS силициева пластина е предизвикателство, тъй като процесът обикновено изисква температури около 600 градуса по Целзий, докато силициевите транзистори и схеми могат да се повредят при нагряване над 400 градуса. Изследователите от MIT са разработили процес на растеж при ниска температура, който не уврежда чипа. Технологията позволява 2D полупроводникови транзистори да бъдат интегрирани директно върху стандартни силициеви вериги.
В миналото изследователите отглеждаха двуизмерни материали отделно и след това прехвърляли този тънък филм върху чип или силициева плоча. Това често водеше до дефекти, които пречат на работата на крайните устройства. В допълнение, пренасянето на такъв тънък материал е изключително трудно в мащаба на плочата. Новият процес позволява израстване на равномерен слой върху цялата повърхност на 200-мм плоча за по-малко от час, докато предишните подходи изискваха повече от ден.
Двуизмерният материал, върху който се фокусират изследователите от MIT, молибденов дисулфид, е гъвкав, прозрачен и има мощни електронни и фотонни свойства, което го прави идеален за полупроводников транзистор. Състои се от моноатомен слой от молибден, поставен между два сулфидни атома.
Растежът на тънки слоеве от молибденов дисулфид върху повърхност с добра еднородност често се извършва чрез процес, известен като металоорганично химическо отлагане от пара (MOCVD). Молибденов хексакарбонил и диетилен сулфоксид, две органични химични съединения, съдържащи молибденови и серни атоми, се изпаряват и нагряват в реакционната камера, където се „разлагат” на по-малки молекули. След това те се комбинират чрез химични реакции, за да образуват вериги от молибденов дисулфид на повърхността.
Но тези съединения на молибден и сяра, известни като прекурсори, изискват температури над 550 градуса по Целзий, за да се разложат, докато силициевите вериги започват да се разпадат при температури над 400 градуса. Така че изследователите прилагат неортодоксален подход – те проектират и изграждат изцяло нова пещ за отлагане на пара.
Пещта се състои от две камери, зона с ниска температура отпред, където се поставя силициевата пластина, и зона с висока температура отзад. Изпарен молибден и прекурсори на сяра се изпомпват в пещта. Молибденът остава в нискотемпературния регион, където температурата се поддържа под 400 градуса – достатъчно топъл, за да разложи молибденовия прекурсор, но не достатъчно горещ, за да повреди силициевия чип. Прекурсорът на сярата преминава през област с висока температура, където се разлага. След това се връща обратно в областта с ниска температура, където протича химическа реакция за отглеждане на молибденов дисулфид върху повърхността на плочата.
Преодоляване на проблемите
Един проблем с този процес е, че силициевите чипове обикновено имат алуминиев или меден горен слой, така че чипът да бъде свързан към контактите на субстрата. Но сярата кара тези метали да станат сернисти, точно както някои метали ръждясват, когато са изложени на кислород, което разрушава тяхната проводимост. Изследователите предотвратяват образуването на сяра, като първо прилагат много тънък слой пасивиращ материал върху горната част на чипа, който след това се отлепва, за да се създадат контактите.
Освен това учените поставят силициевата пластина в нискотемпературната област на пещта вертикално вместо хоризонтално. При вертикално поставяне нито един край не е твърде близо до областта с висока температура, така че нито една част от плочата не се поврежда от топлината. В допълнение, молекулите на молибден и серен диоксид се усукват при сблъсък с вертикален чип, вместо да текат по хоризонтална повърхност. Този ефект на циркулация подобрява растежа на молибденов дисулфид и води до по-добра еднородност на материала.
Перспективи
В бъдеще изследователите искат да подобрят техниката си и да я използват за отглеждане на множество слоеве от 2D транзистори. И да проучат възможността за използване на процес на растеж при ниска температура за гъвкави повърхности като полимери, текстил или дори хартия. Това може да позволи интегриране на полупроводници в ежедневни артикули като облекло.