Новый метод производства атомно-тонких полупроводниковых кристаллов

Новый метод производства атомно-тонких полупроводниковых кристаллов

Выпуск 25 (6699) от 19 декабря 2019 г.
РУБРИКА: ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Исследователи Университета Джона Хопкинса (г. Балтимор, шт. Мэриленд, США) разработали новый метод производства атомно-тонких полупроводниковых кристаллов, которые могли бы применяться для создания более мощных и компактных электронных приборов. Используя специально обработанные кремниевые поверхности для настройки размера и формы кристаллов, разработчики нашли потенциально более быстрый и дешевый способ производства полупроводниковых кристаллов следующего поколения для ИС. Кристаллические материалы, полученные таким способом, могут, в свою очередь, привести к новым научным открытиям и ускорить разработки технологий в области квантовых вычислений, бытовой электроники, а также более эффективных солнечных элементов и батарей. Атомарные процессы применяются не только для создания новых материалов – ​об этом свидетельствуют работы Альбертского университета (г. Эдмонтон, пров. Альберта, Канада).

Новый метод позволяет формировать кристаллы на наноуровне – ​точно, быстро и без потребности в традиционных нисходящих процессах, используемых в полупроводниковой промышленности. Это главное преимущество для обеспечения более широкого использования наноматериалов в высокотехнологичных применениях.

Разработчики сначала покрыли газо-образным фосфином кремниевые пластины, широко используемые в полупроводниковой промышленности для обработки с целью формирования полупроводниковых приборов. Затем был стимулирован рост кристаллов на обработанных фосфином пластинах. После этого было обнаружено, что они выросли в структуры, гораздо меньшие и более высокого качества, чем кристаллы, полученные традиционными способами.

Исследователи обнаружили, что реакция фосфина с кремниевой подложкой вызвала образование новой «проектировочной поверхности». Эта поверхность стимулировала кристаллы расти в виде горизонтальных «лент», в отличие от обычно формируемых плоских и треугольнообразных пластин. Кроме того, благодаря однородности вида и четкой структуре краев эти ленты могли соперничать по качеству с нанокристаллами, полученными с помощью стандартных для отрасли процессов нанесения рисунка и травления, зачастую трудоемких, длительных и дорогих.

Нанокристаллы, полученные в этом исследовании, представляют собой дихалькогениды на основе переходных металлов (transition-metal dichalcogenides, TMDC). Как и графен, TMDC привлекали широкое внимание ученых из-за своих уникальных свойств, являющихся следствием структурной двумерности. Однако при использовании стандартных методов обработки специалисты обычно борются за то, чтобы легко менять текстуру TMDC способами, которые подходят для совершения новых открытий или разработки более эффективных технологий.

Примечательно, что варианты TMDC, которые смогли создать разработчики Университета Джона Хопкинса, были настолько малы, что получили название «одномерных» – ​в отличие от обычных двумерных листов, с которыми знакомы большинство исследователей.

Ограничения при обработке материалов – ​одна из причин, по которой действие т. н. закона Мура в последние годы замедляется. Этот эмпирический «закон», сформулированный в конце 1970-х гг. Гордоном Муром, одним из основателей и ведущих специалистов корпорации Intel, описывает удвоение числа транзисторов на кристалле каждые 1,5–2 года без увеличения удельной стоимости функций для конечного потребителя. Размещение на кристалле ИС все большего числа транзисторов стало причиной того, что за последние несколько десятилетий потребительская электроника неуклонно становилась все миниатюрнее и «умнее», а ее быстродействие повышалось. Полупроводниковая промышленность сейчас изо всех сил пытается поддерживать темп, описанный законом Мура.

К примечательным особенностям кристаллов, созданных учеными Университета Джона Хопкинса, можно отнести следующие.

Высокая однородность атомной структуры и качество. Это обусловлено тем, что кристаллы были синтезированы, а не изготовлены с помощью традиционных методов нанесения рисунка и травления. Такие свойства кристаллов могут сделать их более эффективными с точки зрения проводимости и при преобразовании энергии в солнечных элементах или катализаторах.

Исследователи смогли непосредственно выращивать кристаллы до точно заданных характеристик путем изменения объема фосфина.

«Проектировочная поверхность» является «модульной» – ​это означает, что научные и промышленные лаборатории могут использовать данную технологию для создания новых материалов в сочетании с другими существующими процессами выращивания кристаллов.

«Проектировочную поверхность» можно использовать повторно, что позволяет экономить деньги и время на обработку.

Полученные в результате одномерные кристаллы в форме ленты излучают свет, цвет которого можно настроить, регулируя ширину ленты. Это указывает на их потенциальную перспективность в квантовых информационных приложениях.

Исследователи считают, что их работа вносит фундаментальный вклад в развитие методов рационального управления формой и размерами наноразмерных материалов. Новый метод позволяет формировать наноразмерные кристаллы способами, которые были труднодоступны ранее. Достигнутая точность контроля размера синтезируемых кристаллов (длины и ширины нанолент) беспрецедентна. И, наконец, возможность управлять параметрами формируемых кристаллов под конкретные конечные применения может быть использована в таких областях, как средства накопления энергии, квантовые вычисления и квантовая криптография.

Статья, описывающая проведенное исследование, была опубликована в журнале Nature Nanotechnology 19 ноября 2019 г. [1].

Атомарные процессы применяются не только для создания новых материалов. По мере все более широкого распространения вычислительной техники растет объем потребляемой ею энергии. По оценкам специалистов, выбросы углерода в атмосферу электростанциями, связанные с выработкой электроэнергии для питания вычислительной техники, составляют в общей сложности более 1 млрд т. Для решения этой проблемы специалисты Альбертского университета разработали новый производственный процесс, обеспечивающий создание сверхэффективных атомных компьютеров, хранящих бóльшие объемы данных и потреб-ляющих в 100 раз меньше энергии.

Ранее ученые уже манипулировали одиночными атомами с целью создания матриц памяти для компьютеров со сверхплотным расположением элементов. Такие матрицы способны хранить больше данных в гораздо меньшем пространстве, чем обычные накопители на жестких дисках, и потреблять гораздо меньше энергии. Используя методику, известную как водородная литография, исследователи с помощью наконечника сканирующего туннельного микроскопа (STM) удалили одиночные атомы водорода, связанные с поверхностью кремния. Структура атомов кремния, связанных или не связанных с атомами водорода, формирует двоичный код, хранящий данные. Однако при переписывании данных возникают сложности, связанные с тем, что наконечник STM должен собирать и точно осаждать атомы водорода. Специалисты Альбертского университета попытались разработать более эффективный метод перезаписи матриц атомной памяти.

Для этого они подготовили кремниевую поверхность, покрытую атомами водорода. Для записи данных с помощью водородной литографии определенные атомы были удалены. Выяснилось, что при удалении лишнего атома водорода рядом с битом, который нужно было переписать, возникали реактивные участки, притягивавшие вводимый в камеру газо-образный водород. Связывание одной молекулы водорода (H2) с двумя соседними участками стирало эти участки, так что появлялась возможность записать новый двоичный код. Таким образом, было установлено, что использовать водород в качестве «молекулярного ластика» для перезаписи данных намного быстрее и проще, чем вводить отдельные атомы водорода при помощи наконечника STM. Также была продемонстрирована возможность перезаписи небольшой 24-битной матрицы памяти с использованием данного метода. По утверждению исследователей, новый метод позволяет производить компьютеры атомного масштаба в 1,0 тыс. раз быстрее, что делает их практически готовыми к реальному производству [2].


Davis Shannon. Kick-Starting Moore’s Law? New ‘Synthetic’ Method for Making Microchips Could Help. Semiconductor Digest, November 19, 2019: https://www.semiconductor-digest.com/2019/11/19/kick-starting-moores-law-new-synthetic-method-for-making-microchips-could-help/

Davis Shannon. Atomic-Scale Manufacturing Method Could Enable Ultra-Efficient Computers. Semiconductor Digest, November 27, 2019: https://www.semiconductor-digest.com/2019/11/27/atomic-scale-manufacturing-method-could-enable-ultra-efficient-computers/


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ