Neue Methode holt bessere Leistung aus atomar dünnen Transistoren

Jan 30, 2024

John Timmer - Mar 21, 2023 3:55 pm UTC

Atomar dünne Materialien wie Graphen sind einzelne Moleküle, in denen alle chemischen Bindungen so ausgerichtet sind, dass das resultierende Molekül eine Schicht bildet. Diese verfügen oft über besondere elektronische Eigenschaften, die möglicherweise die Herstellung von Elektronik mit unglaublich kleinen Strukturen ermöglichen, die nur wenige Atome dick sind. Und es gibt eine Reihe von Beispielen für die Herstellung funktionaler Hardware aus diesen zweidimensionalen Materialien.

Bei fast allen bisherigen Beispielen wurde jedoch eine maßgeschneiderte Konstruktion verwendet, bei der Forscher manchmal einzelne Materialflocken von Hand manipulierten. Wir sind also noch nicht an dem Punkt angelangt, an dem wir aus diesen Materialien komplizierte Elektronik in Massenfertigung herstellen können. In einem heute veröffentlichten Artikel wird jedoch eine Methode zur Herstellung von Transistoren im Wafermaßstab auf Basis zweidimensionaler Materialien beschrieben. Und die daraus resultierenden Transistoren funktionieren konstanter als diejenigen, die mit traditionelleren Herstellungsansätzen hergestellt werden.

Die meisten Bemühungen zur Vereinfachung der Produktion von Elektronik auf Basis atomar dünner Materialien umfassten die Integration dieser Materialien in traditionelle Halbleiterfertigungstechniken. Das macht Sinn, denn diese Techniken ermöglichen uns die Durchführung unglaublich feiner Materialmanipulationen in großen Mengen. Typischerweise bedeutet dies, dass ein Großteil der für die Elektronik benötigten Metallverkabelung durch traditionelle Herstellungsverfahren hergestellt wird. Das 2D-Material wird dann auf das Metall geschichtet und es erfolgt eine weitere Bearbeitung, um funktionsfähige Transistoren zu bilden.

Bei dieser „zusätzlichen Bearbeitung“ wird häufig Metall auf das 2D-Material aufgetragen. Diese Methode, so argumentieren die Forscher hinter der Arbeit, sei wahrscheinlich nicht die beste Vorgehensweise. Durch die Ablagerung des Metalls kann das 2D-Material beschädigt werden, und einige einzelne Metallatome können möglicherweise in das 2D-Material diffundieren und so kleine Kurzschlüsse innerhalb des größeren Strukturelements erzeugen. All dies beeinträchtigt die Leistung aller mit dieser Technik gebauten Schaltkreise.

Daher fand das Team einen Weg, alle einzelnen Teile der Schaltung separat zu formen und unter schonenden Bedingungen zusammenzuführen. Der einfachste Teil bestand darin, die Gates der Transistoren zu formen, die einfach auf einem festen Substrat strukturiert und dann mit Aluminiumoxid beschichtet wurden.

Unabhängig davon bildete das Team durch chemische Gasphasenabscheidung eine gleichmäßige Schicht aus einem atomar dünnen Material (Molybdändisulfid) auf einer Siliziumdioxidoberfläche. Diese Folie wurde dann abgehoben und auf das Aluminiumoxid übertragen, wodurch eine atomar dünne Halbleiterschicht auf dem Gate entstand. Um einen Transistor zu bilden, fehlten den Forschern lediglich Source- und Drain-Elektroden.

Diese wurden vollständig separat hergestellt, indem die gesamte Verkabelung auf einer festen Oberfläche angebracht wurde. Die Verkabelung wurde dann in ein Polymer eingebettet und das Ganze von der Oberfläche abgezogen, wodurch eine Polymerschicht entstand, auf deren Unterseite die Drähte eingebettet waren. Dieses Polymer ist für sich genommen flexibel genug, dass es sich dehnen oder verformen könnte, sodass die Verkabelung nicht mit den Gates ausgerichtet wäre, wie dies zur Bildung funktionaler Schaltkreise erforderlich ist. Um diese Verzerrungen zu begrenzen, verbanden die Forscher das Polymer mit einer Quarzschicht, bevor sie es auf den mit Gate-Elektroden bedeckten Wafer drückten. Dadurch wurde die Verdrahtung direkt auf dem Molybdändisulfid abgeschieden und die Bildung funktionsfähiger Transistoren abgeschlossen.

Nachdem alles an Ort und Stelle war, konnte das Polymer unter milden Bedingungen entfernt und überschüssiges Material mittels Plasmaätzen weggeschnitten werden. Das Ergebnis war eine Ansammlung von Transistoren, bei denen die Verbindung des Halbleiters zu den Source- und Drain-Elektroden einfach dadurch hergestellt wurde, dass die Materialien physisch nebeneinander platziert wurden. Dies begrenzt die Möglichkeit einer Beschädigung des atomar dünnen Halbleitermaterials.

Während die gesamte hier erforderliche Verarbeitung viel schonender ist als bei der typischen Halbleiterfertigung, vereinfacht diese Fertigung die Sache, indem alle Merkmale dort geformt werden, wo sie letztendlich benötigt werden. Damit dieser Ansatz funktioniert, werden die Source- und Drain-Elektroden getrennt vom Gate hergestellt und müssen anschließend an ihren Platz gebracht werden. Bei Schaltkreisen mit kleinen Merkmalen erfordert dies eine unglaublich präzise Ausrichtung.

Das... hat nicht immer geklappt. Es gab eine Reihe von Fällen, in denen die gesamte Elektrodensammlung nicht richtig ausgerichtet war, typischerweise aufgrund einer leichten Drehung, als sie an ihren Platz fielen. Das ist etwas, das möglicherweise verbessert werden kann, aber es wird wahrscheinlich eine Herausforderung bleiben.

Die gute Nachricht ist, dass es, als es funktionierte, sehr gut funktionierte; Die Leistung der Geräte war viel konstanter als die, die mit typischeren Techniken hergestellt wurden. Und in den meisten Fällen schnitten sie deutlich besser ab. Die Spannung im Ein- und Aus-Zustand unterschied sich um neun Größenordnungen. Auch die Leckage im ausgeschalteten Zustand war sehr gering.

Generell hat der Ansatz funktioniert. Den Forschern gelang es, funktionale Schaltkreise auf dem gesamten 2-Zoll-Wafer aufzubauen, einschließlich Halbaddierereinheiten, einem wesentlichen Bestandteil der Rechenhardware. Auch wenn sich dies offensichtlich noch in der Demonstrationsphase befindet, handelt es sich bei der Demonstration um Hardware, die potenziell eingesetzt werden könnte.

Das bedeutet nicht, dass Molybdändisulfid auf dem schnellen Weg ist, Silizium zu ersetzen. Jahrzehntelange Erfahrung hat es ermöglicht, mit Siliziumschaltkreisen unglaublich anspruchsvolle Dinge zu erreichen. Aber es bedeutet, dass man damit beginnt, die Toolkits zu entwickeln, die 2D-Materialien eines Tages zu einem echten Konkurrenten für Silizium machen könnten.

Nature Nanotechnology, 2023. DOI: 10.1038/s41565-023-01342-1