Преемник кремния? Двумерные монокристаллы.

Схематическое сравнение роста ДПМ посредством эпитаксии и гипотаксии. Источник.

Сравнительно недавний скачок в развитии искусственных нейросетевых технологий, наложившийся на приближение к пределам закона Мура вследствие фундаментальных физических причин, лишает нас радости от уменьшения размеров чипов. Теперь инженерия вынуждена изыскивать другие возможности улучшения вычислительных характеристик и снижения энергопотребления у полупроводников. В результате всё больше внимания уделяется новым полупроводниковым материалам, которые могут заменить обычный кремний, чьи свойства позволили нам продвинуться так далеко.

Претенденты на его место подвергаются серьёзному отбору, и сегодня на первый план выходят монослои дихалькогенидов переходных металлов (ДПМ или TMD — от Transition Metal Dichalcogenide) — двумерные материалы с малой толщиной и превосходными электрическими свойствами. Они могут стать полупроводниками нового поколения, если удастся решить проблему: их очень непросто создавать. Сегодня у нас нет технологии массового их производства, которая бы позволила запустить синтез в промышленных масштабах.

Наиболее перспективный на сегодняшний день метод синтеза представляет собой химическое осаждение из газовой фазы (CVD), который считается необходимым для производства полупроводниковых и тонкоплёночных материалов. Однако целый ряд недостатков мешает его массовому внедрению. Главные среди них — ухудшение электрических свойств и осложняющий процесс перенос выращенных ДПМ на другие подложки. Выращивание ДПМ на подложках с высокой кристалличностью (метод «эпитаксии») имеет свои ограничения, но перенести их «урожай» можно только на определённые подложки. Кроме того, в результате такого синтеза ДПМ получаются неравномерными ни по количеству слоёв, ни по кристалличности, ни по поверхности. Этти дефекты приводят к снижению электрических характеристик и большому числу отбраковок. Таким образом, разработка передовых технологий 3D-интеграции на основе высококачественных ДПМ стала важнейшей задачей для современной полупроводниковой промышленности.

Чтобы решить эту проблему, исследовательская группа Инженерного факультета Сеульского национального университета разработала совершенно новый метод выращивания. Он оказался настолько удачен, что он позволяет выращивать монокристаллические двумерные полупроводники не только напрямую, без переноса, но ещё и на различных подложках. Объединённая команда исследователей под руководством профессоров кафедры материаловедения Ли Кван Хёна, Чан Хе Чжин и Хан Чон У представила подход, в котором используются графен и гексагональный нитрид бора, в качестве двумерных шаблонов, направляющих выравнивание кристаллов ДПМ для синтеза идеальных монокристаллических плёнок на любой подложке.

«Самой сложной задачей было отойти от общепринятого представления об эпитаксии, которая была стандартом для синтеза различных высококачественных материалов», — говорит, размышляя о процессе исследования, первый автор статьи в журнале Nature Донхун Мун.

Свою модификацию процесса учёные назвали гипотаксией — от «гипо» («вниз») и «таксия» («расположение»). Это название отражает характерное для синтезированных плёнок нисходящее направление роста.

Принципиальная схема процесса роста ДПМ в зависимости от времени синтеза гипотаксии. Источник.

Если упростить, алгоритм сводится к следующему: на подложку наносится металлическая плёнка, которая затем покрывается графеном; далее, при её сульфировании или селенировании, под этим графеном формируются выровненные ядра ДПМ, объединяющиеся в монокристаллическую плёнку по мере произвольного удаления графена. Этот метод позволяет точно контролировать толщину сульфита молибдена (MoS₂) от монослоя до сотен слоёв на различных подложках, получая 4-дюймовые монокристаллы с высокой теплопроводностью и подвижностью. Кроме того, обработка кислородной плазмой создаёт в графене нанопоры, позволяющие кристаллам рост при более низкой температуре, чем предыдущие методы.

Речь идёт о 400°C, что совместимо с процессами, наблюдаемыми в конце обычной производственной линии изготовления полупроводников. Это означает, что подход применим и к другим модификациям оснований и ДМП, позволяя не только решить проблему прежних ограничений, но и создавать двумерные кристаллы в масштабе пластин для монолитной трёхмерной интеграции.

(Сверху вниз) схематическое изображение процесса роста ДПМ во времени, изображения просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), дифракционные картины и изображения роста ДПМ в поперечном сечении с помощью гипотаксии. Источник.

Тот факт, что эта технология позволяет выращивать монокристаллы ДПМ при низкой температуре (те самые 400°C), наделяет её значительным промышленным потенциалом, поскольку делает её совместимой с существующим производством полупроводников. Шаблон из графена, ориентирующий рост и корректирующий его равномерность в ходе процесса синтеза кристалла, исчезает естественным образом, избавляя нас от постобработки — нам больше не нужно удалять его и пересаживать выращенные ДПМ на новую подложку. В добавок это позволяет учёным точно контролировать количество слоёв ДПМ регулируя толщину металлической плёнки.

Работающий над докторской диссертацией Мун Дон Хун сосредоточен на изучении синтеза муаровой структуры, которую ранее было невозможно воспроизвести и, следовательно, она имела ограничения в различных измерениях. Однако применение выращивания гипотаксисом сулит удачу и в этом деле. Учёный рассказывает, что уже проводятся исследования по применению технологии гипотаксии к различным новым материалам, выращивание которых было сложно обеспечить должными масштабами и качеством с использованием предыдущих методов синтеза. Молодой учёный планирует продолжать исследования в этом направлении в качестве постдокторанта кафедры материаловедения и инженерии Сеульского национального университета после защиты диссертации.

Именно эти особенности гипотаксии и наделяют её особыми перспективами в полупроводниковом будущем. Так, в результате тестов устройства, изготовленные с использованием нового метода, продемонстрировали высокую подвижность носителей заряда и превосходную однородность. Это подтверждает потенциал гипотаксии как основного метода для разработки высокопроизводительных, высокоинтегрированных двумерных полупроводниковых устройств и чуть ли не повсеместного применения двумерных полупроводников нового поколения.

Конец формы

Помимо этого, авторы расценивают своё «ноу-хау» как инновационную технологию, которая может применяться не только к выращиванию двумерных полупроводников. Поскольку разработанный ими метод позволяет точно контролировать ориентацию и структуру кристаллов, он подходит для применения при синтезе всех кристаллических тонкоплёночных материалов. То есть новая метода не только расширяет границы существующих методов производства полупроводников и наконец-то позволяет контролировать направление роста и качество кристалла, но ещё и предлагает универсализацию производственных подходов, которая скажется грандиозной экономией ресурсов, средств и условий.

Сравнение плёнок MoS₂, выращенных методом обычной сульфуризации (эпитаксии) и посредством гипотаксии с применением графена. Источник.

«Разработанная нами технология гипотаксии преодолевает ограничения эпитаксии — концепции, впервые предложенной в 1930-х годах и являющейся основой для разработки современных электронных устройств, — подчёркивает важность работы профессор Ли Кван Хён, руководивший исследованием. — Поскольку гипотаксия обеспечивает трёхмерную интеграцию, необходимую для полупроводников нового поколения, я ожидаю, что она станет революционным подходом в материаловедении».

«Точно так же, как гипотаксия возникла благодаря неинтуитивному взгляду на эпитаксию, я надеюсь, что это достижение послужит катализатором для новаторских исследований в таких областях, как разработка новых материалов и синтез новых кристаллических структур», — поддерживает наставника Дон Хун Мун. Молодой учёный планирует продолжать исследования в этом направлении и после защиты диссертации, но уже в качестве постдокторанта кафедры материаловедения и инженерии Сеульского национального университета.

АРМК, по материалам Сеульского национального университета.