Araştırmacılar 2D yarı iletken kristal büyümesini %99,3 verimle kontrol etti

KAIST ve Güney Koreli girişim TDS Innovation'dan araştırmacıları içeren bir ekip, 2D yarı iletken kristallerinin nerede büyümeye başlayacağını kontrol etmenin bir yolunu gösterdi; bu, gelecek nesil çiplerin büyük ölçekte üretilmesinin önündeki bir engeli ele alabilir. Çalışma, 7 Ekim'de Nature'da 'Spatially deterministic nucleation of 2D semiconductors by etching flux' başlığıyla yayımlandı. Teknik, bir aşındırma akısı (etching flux) kullanarak desenlenmiş her büyüme bölgesinde geometrik merkez dışındaki her yerde yeni kristal oluşumunu bastırıyor.

2D malzemeler atomik ölçekte ince ama literal anlamda iki boyutlu değil. Grafen, en bilinen örnek, karbon atomlarının tek bir katmanı ama içsel bant aralığının bulunmaması onu geleneksel anahtarlama transistörleri için uygun kılmıyor. Molibden disülfit (MoS2) gibi bazı geçiş metali dikalkojenitlerinin (TMD) tek katmanları bant aralığına sahip ve gelecekteki transistörler ile nanometrik ölçekli cihazlar için araştırılıyor. Bir wafer üzerinde büyütüldüğünde, 2D yarı iletken kristalleri tipik olarak rastgele noktalarda oluşmaya başlıyor; makalenin ifadesiyle 'çekirdeklenme olayları büyüme bölgesi içindeki rastgele konumlarda stokastik olarak meydana geliyor.' Bu durum, birden fazla kristalin oluşmasına ve büyüyüp birleştiklerinde elektriksel performansı düşüren ve cihazları daha az homojen hale getiren sınırlar yaratılmasına yol açıyor.

Araştırmacılar, her desenlenmiş bölgede tek bir kristalin oluşmasını sağlamak için 'aşındırma akısı aracılı tek merkezli çekirdeklenme' (etching-flux-mediated single-centred nucleation, EF-SCN) adını verdikleri bir süreç geliştirdi. Bir oksit bariyerden açığa çıkan oksijen, desenin geometrik merkezi dışında çekirdeklenmeyi bastıran yanal bir aşındırma akısı oluşturuyor. Ekip, süreci kullanarak modern çiplerin temel yapı taşları olan çalışan alan etkili transistörler (FET) üretti ve seçici olarak büyütülmüş MoS2 transistörleri için önceden bildirilenden daha yüksek yük taşıyıcı hareketliliği rapor etti; bu, malzeme içinde yükün ne kadar kolay hareket ettiğinin bir ölçüsü.

İki santimetrelik bir alt tabaka üzerinde yapılan ayrı bir testte süreç, 400 desenlenmiş konumdan 397'sinde tek kristal üretti; bu, %99,3'lük bir verime işaret ediyor. Bu sonuç ölçeklenme için umut verici olsa da henüz ticari çip üretiminin bir göstergesi değil. Makalenin ortak yazarı ve TDS Innovation'ın eş-CEO'su Kibum Kang'a göre firma, 2D yarı iletken cihazların silikon çipler üzerine istiflenmesinin lojik ve belleği birbirine yaklaştırarak belirli bir alana daha fazla fonksiyon sığdırabileceğini ve veri taşıma için harcanan zaman ile enerjiyi azaltabileceğini söylüyor. 2D yarı iletken malzemeler, n-tipi ve p-tipi transistörleri yan yana değil dikey olarak istifleyen tamamlayıcı alan etkili transistörler (CFET) için de araştırılıyor; bu tür 3D istifleme IBM ve Intel tarafından sergilenmişti.