KAIST овладя растежа на 2D полупроводници

Корейски екип съобщи, че може да каже на полупроводниковия кристал къде точно да започне да расте. Изследването, публикувано в Nature на 7 октомври, е дело на групата на проф. Кибум Канг от Департамента по материалознание на KAIST, съвместно с UNIST, университета Hanyang и южнокорейската компания TDS Innovation. Методът дава единичен монокристал от молибденов дисулфид в 397 от 400 предварително шаблонирани участъка върху подложка от два сантиметра — добив от 99,3%.

Защо мястото на зародиша е проблем

При растежа на тънък слой мястото, където се появява първият кристален зародиш, е по същество случайно. Появят ли се няколко зародиша в един участък, те се срещат и образуват граници между зърната — точно местата, където електроните се разсейват и устройството губи характеристики.

Затова и двумерните полупроводници стоят в лабораториите вече над десетилетие, без да влязат в производство. Материалите от класа на преходнометалните дихалкогениди (TMD) като MoS₂ са привлекателни именно защото имат забранена зона — за разлика от графена — и остават полупроводници при дебелина от един атомен слой, в случая 0,75 нанометра.

Кислородът като „гумичка“

Решението на екипа е наречено EF-SCN (etching-flux-mediated single-centred nucleation) — зародишообразуване в един център, управлявано чрез поток на ецване. Около всеки шаблониран участък се оставя бариера от хафниев оксид. При температурата на растежа тя започва да отделя кислород — съставът ѝ се измества от HfO₁,₉₅ до HfO₁,₈₃ за около десет минути — и този кислород тръгва странично над повърхността.

Резултатът е градиент: близо до ръба на бариерата кислородът изяжда всеки появил се зародиш, а в геометричния център на участъка потокът е най-слаб и един зародиш успява да преживее. Оттам нататък кристалът расте сам, без конкуренция, до около 10 микрометра.

Хафниевият оксид кристализира над 550 °C, а растежът върви при 750 °C. Екипът показва и вариант при 430 °C с циркониев диоксид — важно, ако процесът трябва да се прави върху вече готови силициеви чипове, които не понасят високи температури.

Какво мерят транзисторите

От израснатите кристали са направени работещи полеви транзистори. Най-добрата измерена подвижност на носителите е 117 cm²/V·s — според авторите най-високата досега за селективно израснат MoS₂. Отношението включено/изключено надхвърля 10 милиона, работният ток е 12 микроампера на микрометър, а разсейването на подвижността между устройствата пада до 7,8% относително стандартно отклонение, което е около 65% по-добра еднородност спрямо подхода с отделни кристали.

Има и числа, които показват колко път остава: подпраговият наклон е 170 mV/декада, доста над онова, с което си служи съвременният силиций. Екипът демонстрира и странични хетероструктури с интерфейс, по-резък от 2 нанометра — тоест два различни двумерни материала, съединени почти без преходна зона.

Защо това интересува производителите на чипове

Днешният начин да се печели производителност е вертикалният: слоеве памет и логика едно върху друго, за да не се разкарват данните на дълги разстояния. Двумерните материали са удобни тук, защото могат да се отглеждат директно върху готова структура, а не да се пренасят отнякъде. Същата физика върши работа и за CFET архитектурите, където n- и p-тип транзистори се подреждат вертикално — посока, която IBM и Intel вече демонстрират.

Контекстът е и съвсем практичен: паметта е дефицитна стока, а дата центровете за AI искат повече изчисления на ват. Прогнозата на Джони Джунг от TDS Innovation, цитирана от The Register, е за търговско използване на двумерни полупроводници „около 2030 г.“. Изследването е финансирано от корейското министерство на науката и ИКТ, Корейската научна фондация и индустриални партньори, включително NVIDIA.

Паралелно: прецизна хирургия върху дефекти в диамант

Същата идея — да контролираш дефектите, вместо да ги търпиш — се появява и в друга тазседмична работа. Екип от North Carolina Central University и Duke University съобщава в Diamond and Related Materials, че с наносекундни ултравиолетови импулси при 266 nm може избирателно да променя една популация дефекти в CVD диамант, запазвайки друга.

След облъчването се появяват нови емисии при 563 и 579 нанометра, свързани с въглеродни междинни атоми, докато сигналът от азотно-ваканционните (NV) центрове остава почти непроменен. Сигналът при 563 nm първо расте, после отслабва — знак, че дефектите се преобразуват, а не просто се създават. NV центровете са работният елемент на квантовите сензори и часовници, така че възможността да чистиш околните дефекти, без да ги повредиш, е практично постижение.

Заключение

Нито един от двата резултата не прави силиция излишен — това са лабораторни демонстрации върху подложки от сантиметри, не върху 300-милиметрови вафли, и подпраговите характеристики все още отстъпват. Но и в двата случая става дума за едно и също: преминаване от „надяваме се да се получи“ към „знаем къде ще се получи“. Именно повторяемостта, не рекордната стойност на един транзистор, обикновено решава дали една технология напуска лабораторията.