Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) разработали технологию, которая позволит «выращивать» транзисторы атомарного уровня непосредственно на поверхности кремниевых микросхему, что может привести к созданию компьютерных чипов с большей плотностью транзисторов и более высокой производительностью.
Разработки в сфере ИИ, такие как набравшие огромную популярность чат-боты, требуют более плотных и мощных компьютерных чипов. Но традиционные полупроводниковые чипы представляют собой трехмерные структуры, поэтому укладка нескольких слоев транзисторов для создания более плотных интеграций очень затруднительна. Однако полупроводниковые транзисторы, изготовленные из сверхтонких двумерных материалов, толщина каждого из которых составляет всего около трех атомов, могут быть сложены в стопки для создания более мощных чипов. Учёные Массачусетского технологического института продемонстрировали новую технологию, которая позволяет эффективно и качественно «выращивать» слои двумерных материалов из дихалькогенидов переходных металлов (TMD) непосредственно на полностью готовом кремниевом чипе, что позволяет создавать более плотные и мощные решения.
Выращивание двумерных материалов непосредственно на кремниевой КМОП-пластине представляло собой сложную задачу, поскольку этот процесс обычно требует температуры около 600 °C, в то время как кремниевые транзисторы и схемы могут выйти из строя при нагреве выше 400 градусов. Группа исследователей MIT разработала низкотемпературный процесс выращивания, который не повреждает чип. Технология позволяет интегрировать двумерные полупроводниковые транзисторы непосредственно поверх стандартных кремниевых схем.
В прошлом исследователи выращивали двумерные материалы отдельно, а затем переносили эту тончайшую плёнку на чип или пластину. Это часто приводит к возникновению дефектов, которые мешают работе конечных устройств. Кроме того, перенос настолько тонкого материала представляется чрезвычайно сложным в масштабах пластины. Новый процесс позволяет вырастить равномерный, однородный слой на всей поверхности 200-мм пластины менее чем за час. В то время как предыдущие подходы требовали более суток.
Двумерный материал, на котором сосредоточились исследователи, — дисульфид молибдена — гибкий, прозрачный и обладает мощными электронными и фотонными свойствами, что делает его идеальным для полупроводникового транзистора. Он состоит из одноатомного слоя молибдена, зажатого между двумя атомами сульфида.
Выращивание тонких пленок дисульфида молибдена на поверхности с хорошей однородностью часто осуществляется с помощью процесса, известного как металлоорганическое химическое осаждение из паровой фазы (MOCVD). Гексакарбонил молибдена и диэтиленсульфоксид, два органических химических соединения, содержащие атомы молибдена и серы, испаряются и нагреваются внутри реакционной камеры, где они «разлагаются» на более мелкие молекулы. Затем они соединяются в результате химических реакций, образуя цепочки дисульфида молибдена на поверхности.
Но для разложения этих соединений молибдена и серы, известных как прекурсоры, требуется температура выше 550 градусов Цельсия, в то время как кремниевые цепи начинают разрушаться при температуре выше 400 градусов. Поэтому исследователи начали с нестандартного подхода — они спроектировали и построили совершенно новую печь для осаждения из паровой фазы.
Печь состоит из двух камер, низкотемпературной области в передней части, куда помещается кремниевая пластина, и высокотемпературной области в задней части. В печь закачиваются испаренные прекурсоры молибдена и серы. Молибден остается в низкотемпературной области, где температура поддерживается ниже 400 градусов Цельсия — достаточно тепло, чтобы разложить молибденовый прекурсор, но не настолько горячо, чтобы повредить кремниевый чип. Прекурсор серы проходит через высокотемпературную область, где он разлагается. Затем он поступает обратно в низкотемпературную область, где происходит химическая реакция для выращивания дисульфида молибдена на поверхности пластины.
Одна из проблем этого процесса заключается в том, что кремниевые микросхемы обычно имеют алюминиевый или медный верхний слой, чтобы чип можно было подключить к контактам подложки. Но сера вызывает сернистость этих металлов, подобно тому, как некоторые металлы ржавеют под воздействием кислорода, что разрушает их проводимость. Исследователи предотвратили серообразование, сначала нанеся очень тонкий слой пассивирующего материала на верхнюю часть микросхемы, который после вскрывается для создания контактов.
Они также поместили кремниевую пластину в низкотемпературную область печи вертикально, а не горизонтально. При вертикальном расположении ни один из концов не находится слишком близко к высокотемпературной области, поэтому ни одна часть пластины не повреждается под воздействием тепла. Кроме того, молекулы молибдена и сернистого газа закручиваются, сталкиваясь с вертикальным чипом, а не текут по горизонтальной поверхности. Этот эффект циркуляции улучшает рост дисульфида молибдена и приводит к лучшей однородности материала.
В будущем исследователи хотят усовершенствовать свою методику и использовать ее для выращивания нескольких слоев двумерных транзисторов. И изучить возможность использования низкотемпературного процесса роста для гибких поверхностей, таких как полимеры, текстиль или даже бумага. Это может позволить интегрировать полупроводники в повседневные предметы, например на одежду.