Elektronika postkrzemowa. Polscy naukowcy zbadają materiały 2D

Krzem od dekad stanowi podstawę rozwoju elektroniki. Jednak możliwości dalszego zmniejszania wykonanych z niego elementów są ograniczone. Dr inż. Jakub Wojciech Sitek z Centrum Zaawansowanych Materiałów i Technologii CEZAMAT pokieruje projektem SCALED. Naukowcy będą pracować nad materiałami, które mogą znaleźć zastosowanie w elektronice nowej generacji.

Centrum Zaawansowanych Materiałów i Technologii CEZAMAT | Źródło: Politechnika Warszawska

Krzem zbliża się do swoich fizycznych granic

Współczesna elektronika opiera się w dużej mierze na krzemie. Przez dziesięciolecia możliwe było zmniejszanie tranzystorów i innych elementów elektronicznych. Dzięki temu rosła wydajność komputerów i smartfonów, a jednocześnie spadało ich zapotrzebowanie na energię. Dalsza miniaturyzacja staje się jednak coraz trudniejsza.Zmniejszanie elementów może prowadzić do pogorszenia ich działania oraz zwiększenia zużycia energii. Problem nabiera znaczenia wraz z rozwojem sztucznej inteligencji, która wymaga dużej mocy obliczeniowej.

Materiały o grubości kilku warstw atomów

Jednym z kierunków rozwoju elektroniki postkrzemowej są materiały dwuwymiarowe, określane jako materiały 2D. Składają się one z jednej lub kilku warstw atomów. Do tej grupy należą między innymi dwusiarczek molibdenu (MoS₂) oraz dwuselenek wolframu (WSe₂). W przeciwieństwie do grafenu materiały te posiadają przerwę energetyczną. Dzięki temu mogą pełnić funkcję półprzewodników. Mogą więc znaleźć zastosowanie w tranzystorach o grubości pojedynczych warstw atomowych.

Domieszkowanie pozostaje technologicznym wyzwaniem

Budowa układów scalonych z materiałów 2D wymaga między innymi kontrolowanego domieszkowania. Proces polega na wprowadzaniu do materiału określonej liczby obcych atomów. W ten sposób można zmieniać właściwości elektryczne półprzewodnika. Możliwe jest między innymi uzyskanie przewodnictwa typu n lub typu p. W przypadku krzemu takie procesy są stosowane od dziesięcioleci. Natomiast kontrolowane i trwałe domieszkowanie materiałów 2D nadal stanowi problem technologiczny. Dotychczas stosowane rozwiązania bywają nietrwałe lub sprawdzają się jedynie w przypadku niewielkich fragmentów materiału.

Projekt SCALED ma zbadać domieszkowanie materiałów 2D

Projekt SCALED koncentruje się na opracowaniu metody domieszkowania monowarstw MoS₂ oraz WSe₂. Naukowcy chcą prowadzić ten proces bezpośrednio podczas wzrostu materiału. W tym celu wykorzystają przemysłowy reaktor MOCVD. Urządzenie umożliwia chemiczne osadzanie materiałów z fazy gazowej. Naukowcy zastosują w badaniach dwie domieszki. Ren posłuży do uzyskania przewodnictwa typu n w MoS₂. Z kolei niob pozwoli uzyskać przewodnictwo typu p w WSe₂. Obliczenia kwantowe i wcześniejsze eksperymenty wskazują na możliwość zastosowania obu pierwiastków. Ich atomy mogą zastępować atomy metalu w strukturze krystalicznej. Naukowcy sprawdzą możliwość skalowania metody.

– Elektronika bez domieszek nie istnieje – mówi dr inż. Jakub Wojciech Sitek.

Zespół będzie badał wprowadzanie obcych atomów do materiałów o grubości pojedynczej warstwy atomowej. Celem jest uzyskanie kontroli nad właściwościami elektrycznymi tych materiałów. Jednocześnie naukowcy chcą sprawdzić możliwość skalowania opracowanej metody. Według kierownika projektu może to stworzyć podstawy do wykorzystania materiałów 2D w przyszłych rozwiązaniach elektronicznych.

Badania podzielono na trzy etapy

Pierwszy etap obejmie optymalizację wzrostu niedomieszkowanych monowarstw MoS₂ oraz WSe₂. Naukowcy wytworzą warstwy na podłożach szafirowych. Następnie zespół zbada wpływ parametrów procesu na stężenie oraz rozmieszczenie domieszek. Naukowcy przeanalizują między innymi temperaturę, ciśnienie i przepływy prekursorów. Do badań wykorzystają spektroskopię Ramana oraz fotoluminescencję. Zespół zastosuje również mikroskopię elektronową i elektryczne pomiary Halla. W trzecim etapie naukowcy wykonają tranzystory polowe FET na otrzymanych warstwach. Następnie zbadają ich właściwości elektryczne. Zespół przeanalizuje między innymi ruchliwość i koncentrację nośników oraz opór kontaktów. Sprawdzi także współczynnik włączenia i wyłączenia tranzystorów.

Powstanie mapa procesu domieszkowania

Jednym z rezultatów projektu ma być mapa domieszkowania MoS₂:Re oraz WSe₂:Nb. Połączy ona parametry procesu MOCVD z właściwościami otrzymanych materiałów. Naukowcy zestawią także te informacje z parametrami elektrycznymi wykonanych tranzystorów. Pozwoli to określić zależności między warunkami produkcji a działaniem urządzeń. Na końcowym etapie metoda zostanie przeskalowana z próbek o wymiarach 1 × 1 cm. Proces obejmie następnie pełne, dwucalowe płytki szafirowe.

Materiały 2D mogą znaleźć zastosowanie w układach AI

Kontrolowane domieszkowanie półprzewodników 2D jest jednym z problemów rozwoju elektroniki postkrzemowej. Projekt SCALED ma zbadać możliwość rozwiązania tego problemu.W przyszłości takie materiały mogą znaleźć zastosowanie w układach przeznaczonych do sztucznej inteligencji. Dotyczy to między innymi architektur neuromorficznych. Potencjalne zastosowania obejmują również czujniki oraz fotodetektory. Wyniki badań mogą także dostarczyć wiedzy potrzebnej do dalszego rozwoju elektroniki opartej na materiałach 2D. Projekt „SCALED – Skalowalna, kontrolowalna i atomowo płaska epitaksja domieszkowanych półprzewodników 2D dla elektroniki postkrzemowej” otrzymał dofinansowanie. Środki przyznano w ramach konkursu SONATA 21.

Źródło: Politechnika Warszawska