Выращены «слоеные» трехмерные чипы
В 2023 году группа представила метод выращивания высококачественных полупроводниковых материалов на аморфных поверхностях, подобных тем, что используются в полупроводниковых схемах готовых чипов. Эти материалы называются дихалькогенидами переходных металлов (TMD). Они принадлежат к классу двумерных материалов и рассматриваются как потенциальная замена кремнию для создания более компактных и мощных транзисторов. В отличие от кремния, производительность которого снижается с уменьшением размеров, 2D-материалы сохраняют свои полупроводниковые свойства даже на уровне отдельных атомов.
Команда выращивала TMD на кремниевых пластинах с аморфными покрытиями, а также поверх уже существующих TMD. Чтобы атомы формировали качественную монокристаллическую структуру вместо случайного поликристаллического беспорядка, ученые сначала покрыли кремниевую пластину тонкой пленкой из диоксида кремния, на которой были сделаны крошечные отверстия или карманы. Затем они пропустили газ с атомами над этой маской и обнаружили, что атомы оседают в карманах, образуя «затравки». Эти карманы направляли рост затравок, способствуя образованию регулярных монокристаллических структур. Однако этот метод работал только при температуре 900°C. Для успешного выращивания монокристаллических слоев этих материалов нужно поддерживать температуру ниже 400°C. В ином случае базовая схема, на которой происходит выращивание, будет разрушаться. Таким образом, ключевой задачей ученых стало создание и оптимизация технологии, позволяющей получать монокристаллические TMD при температурах, не превышающих 400°C.
Исследователи нашли неожиданно простое решение в металлургии. Процесс заливки расплавленного металла в форму сопровождается медленным формированием зерен, которые разрастаются и объединяются в упорядоченную кристаллическую структуру, затвердевающую в твердое тело. Металлурги установили, что это «зарождение» наиболее интенсивно протекает на границах формы, куда заливается жидкий металл. Это также требует меньших затрат энергии и тепла. Ученые применили этот подход к созданию чипов.
Команда пыталась вырастить монокристаллические TMD на кремниевой пластине с уже созданной транзисторной схемой. Для этого они сначала покрыли схему маской из диоксида кремния, как и в предыдущем эксперименте. Затем они разместили «затравки» TMD по краям карманов на маске и обнаружили, что они формируют монокристаллический материал при температурах всего 380°C. В то же время затравки, расположенные в центре карманов, вдали от краев, требовали более высоких температур для роста монокристаллической структуры.
Разработанный метод применили для создания многослойного чипа, состоящего из чередующихся слоев двух различных TMD: дисульфида молибдена (для n-канальных транзисторов) и диселенида вольфрама (для p-канальных транзисторов). Транзисторы этих типов необходимы для выполнения логических операций. Оба материала «выросли» друг на друге без кремниевых подложек. Это удвоит плотность полупроводниковых элементов на чипе, особенно в КМОП-схемах, основе современной электроники.
Обычные 3D-чипы изготавливались с использованием кремниевых пластин между ними путем сверления отверстий в пластине. Этот процесс ограничивал количество слоев, точность вертикального выравнивания и выход годных изделий. Новый метод, основанный на росте, решает все эти проблемы одновременно. С помощью него можно будет выращивать десятки и сотни логических слоев и слоев памяти, прямо друг на друге, и они смогут взаимодействовать. Для дальнейшей коммерциализации конструкции ученые основали компанию FS2 (Future Semiconductor 2D materials).