China macht großen Sprung in der 2D-Halbleiterwafer-Technologie

PonyWang/iStock

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Chinesischen Wissenschaftlern ist in der Welt der Halbleiter ein bedeutender Durchbruch gelungen, berichtet die South China Morning Post (SCMP). Die neuen 12 langen (30,5 cm) Wafer sind nur ein Atom dick (daher als „2D“ bezeichnet), können kostengünstig sein und möglicherweise die Halbleiterindustrie revolutionieren, behaupten ihre Entwickler. Während noch mehr Arbeit erforderlich ist, um sie in nutzbare Mikrochips umzuwandeln, könnten die neuen Wafer herkömmliche Siliziumchips ergänzen oder sogar herausfordern.

Aufgrund seiner Dünnheit weist das neue 2D-Material hervorragende Halbleitereigenschaften auf. Allerdings stand das Wissenschaftlerteam vor Herausforderungen, als es darum ging, die Größe der Wafer zu vergrößern und sie in großen Mengen herzustellen. „Wir haben der Branche bewiesen, dass dies wissenschaftlich machbar ist, und Vertrauen geschaffen. Wenn es in Zukunft industrielle Anforderungen gibt, wird der Fortschritt in diesem Bereich sprunghaft voranschreiten“, sagte Studienleiter Professor Liu Kaihui von der Peking-Universität gegenüber SCMP in einem Exklusivinterview.

Wie in einer im Science Bulletin veröffentlichten Studie berichtet wird, bieten die neuen Wafer einige entscheidende Verbesserungen gegenüber bestehenden Siliziumchips. „Wenn Siliziumtransistoren dünner gemacht werden, wird ihre [Spannungssteuerung] schlechter. Der Strom ist auch dann vorhanden, wenn das Gerät nicht funktioniert. „Das bringt zusätzliche Energiekosten und Wärmeerzeugung mit sich“, erklärte Liu.

Das neue 2D-Material besteht aus kristallinen Festkörpern mit einer oder mehreren Atomschichten. Aufgrund ihrer natürlichen Dicke im Atombereich verfügen die Wafer über einzigartige physikalische Eigenschaften und haben potenzielle Anwendungen in elektronischen Hochleistungsgeräten. „Ein Transistor, der aus einer einzelnen Schicht MoS2, [einem typischen 2D-Material] mit einer Dicke von etwa einem Nanometer, hergestellt wird, übertrifft den Transistor, der aus der gleichen Siliziumdicke hergestellt wird, um ein Vielfaches“, fügte Liu hinzu.

„Einige 2D-Materialien gelten als wesentliches Materialsystem für einen integrierten Schaltkreis von 1 nm und kleiner. Die Industrie erkennt auch an, dass sie in der Lage sind, das Mooresche Gesetz fortzusetzen oder sogar darüber hinauszugehen, wonach sich die Anzahl der Transistoren in einem integrierten Schaltkreis etwa alle zwei Jahre verdoppelt“, sagte er.

Bisher hatten Wissenschaftler jedoch Schwierigkeiten, Wafer aus 2D-Material mit hoher Gleichmäßigkeit und Geräteleistung herzustellen, obwohl 2D-Materialien in jeder Schicht separat vorhanden sein können. Die neuen Wafer können Schicht für Schicht gestapelt werden, einschließlich Materialien wie Graphen oder Übergangsmetalldichalkogeniden (TMDs) wie Molybdändisulfid, Wolframdisulfid, Molybdändiselenid und Wolframdiselenid.

„Wir haben einen neuen Ansatz entwickelt, der eine Oberfläche-zu-Oberfläche-Versorgungsmethode nutzt, die ein gleichmäßiges Wachstum gewährleistet“, sagte Ph.D. sagte Kandidat Xue Guodong, Erstautor des Papiers. „Bei der Herstellung des MoS2-Wafers wird eine Chalkogenid-Kristallplatte (ZnS), die mit in Lösung dispergierten geschmolzenen Salzen (Na2MoO4) zusammenarbeitet, als Elementquelle verwendet“, fügte Guodong hinzu.

„Unser Ingenieurteam im Songshan Lake Materials Laboratory hat Geräte auf Basis dieser Methode entwickelt. [Unsere] Ausrüstung kann jetzt 10.000 Stück 2D-Wafer pro Maschine und Jahr produzieren“, sagte Liu.

Sie können sich die Studie selbst in der Fachzeitschrift Science Bulletin ansehen.

Studienzusammenfassung:

Zweidimensionale (2D) Übergangsmetalldichalkogenide (TMDs) gelten aufgrund ihrer atomaren Dicke, hohen Ladungsträgermobilität und ultraschnellen Ladungsübertragung als zentrale Halbleiterkandidaten für Geräte der nächsten Generation. Analog zur traditionellen Halbleiterindustrie ist die Massenproduktion von TMDs im Wafermaßstab die Voraussetzung für die Weiterentwicklung ihrer integrierten Schaltkreise. Aufgrund der strengen Bedingungen, die für einen effektiven Massentransport mehrerer Vorläufer während des Wachstums erforderlich sind, ist die Produktionskapazität von TMD-Wafern jedoch typischerweise auf ein einzelnes und kleines Stück pro Charge (hauptsächlich im Bereich von 2 bis 4 Zoll) beschränkt. Hier haben wir eine modularisierte Wachstumsstrategie für die Batch-Produktion von TMDs im Wafer-Maßstab entwickelt, die die Herstellung von 2-Zoll-Wafern (15 Stück pro Charge) bis hin zur Rekordgröße von 12-Zoll-Wafern (3 Stück pro Charge) ermöglicht. Jedes Modul, bestehend aus einer autarken lokalen Vorläuferversorgungseinheit für robustes individuelles TMD-Waferwachstum, wird vertikal mit anderen gestapelt, um ein integriertes Array und damit ein Batch-Wachstum zu bilden. Umfassende Charakterisierungstechniken, einschließlich optischer Spektroskopie, Elektronenmikroskopie und Transportmessungen, veranschaulichen eindeutig die hohe Kristallinität und die großflächige Gleichmäßigkeit der so hergestellten Monoschichtfilme. Darüber hinaus beweisen diese modularisierten Einheiten ihre Vielseitigkeit, indem sie die Umwandlung von im Wafermaßstab hergestelltem MoS2 in verschiedene Strukturen ermöglichen, wie z. B. Janus-Strukturen von MoSSe, Legierungsverbindungen von MoS2(1−x)Se2x und In-Plane-Heterostrukturen von MoS2-MoSe2 . Diese Methodik ermöglicht eine qualitativ hochwertige Waferproduktion mit hoher Ausbeute und ermöglicht möglicherweise den nahtlosen Übergang vom Labormaßstab zum industriellen 2D-Halbleiter als Ergänzung zur Siliziumtechnologie.