Μια διαδικασία με βάση το οξυγόνο αποτρέπει τον σχηματισμό ανεπιθύμητων κρυστάλλων, βοηθώντας τους ερευνητές να τοποθετούν με ακρίβεια τα ημιαγώγιμα υλικά (Interesting Engineering)
Ερευνητές στη Νότια Κορέα ανέπτυξαν μια τεχνική κατασκευής ημιαγωγών που ελέγχει τα σημεία σχηματισμού μεμονωμένων κρυστάλλων με ποσοστό επιτυχίας άνω του 99% σε 400 διαμορφωμένες περιοχές ανάπτυξης, ανοίγοντας ενδεχομένως τον δρόμο για την κατασκευή υπολογιστικών μικροτσίπ με κάθετη στοίβαξη.
Η τεχνική επιτρέπει στους ερευνητές να αναπτύσσουν έναν μεμονωμένο κρύσταλλο δισουλφιδίου του μολυβδαινίου (MoS₂), ενός ημιαγωγού με πάχος μόλις λίγων ατομικών στρωμάτων, σε προκαθορισμένη θέση, αντί να επιτρέπουν τον τυχαίο σχηματισμό πολλαπλών κρυστάλλων.
Μια ομάδα με επικεφαλής το Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), σε συνεργασία με το UNIST, το Hanyang University και την TDS Innovation, ανέπτυξε τη μέθοδο χρησιμοποιώντας οξυγόνο που απελευθερώνεται από ένα φράγμα οξειδίου, προκειμένου να ελέγχει το σημείο έναρξης της κρυσταλλικής ανάπτυξης.
Οι ερευνητές αναφέρουν ότι η προσέγγιση αυτή θα μπορούσε να αντιμετωπίσει ένα σημαντικό εμπόδιο στην κατασκευή μικροτσίπ με διαδοχικά στοιβαγμένα στρώματα, όπου οι ημιαγωγικές στρώσεις πρέπει να σχηματίζονται με ακρίβεια πάνω σε ήδη υπάρχοντα κυκλώματα, χωρίς να δημιουργούνται ελαττώματα που επηρεάζουν την απόδοση.
Το οξυγόνο ελέγχει τον σχηματισμό των κρυστάλλων
Οι συμβατικές μέθοδοι ανάπτυξης ημιαγωγών μπορούν να καθορίσουν τη γενική περιοχή στην οποία σχηματίζεται ένα λεπτό υμένιο, αλλά ο έλεγχος του ακριβούς σημείου έναρξης κάθε κρυστάλλου εξακολουθεί να είναι δύσκολος.
Όταν πολλοί κρύσταλλοι αναπτύσσονται ανεξάρτητα και ενώνονται, δημιουργούν όρια κόκκων. Αυτά τα όρια διαταράσσουν την κανονική διάταξη των ατόμων και μπορούν να παρεμποδίσουν την κίνηση των ηλεκτρονίων μέσα στον ημιαγωγό.
Οι ερευνητές ανέπτυξαν μια διαδικασία που ονομάζεται etching-flux-mediated single-centered nucleation (EF-SCN), δηλαδή μονοκεντρική πυρήνωση μέσω ροής που προκαλείται από χάραξη. Η πυρήνωση είναι το αρχικό στάδιο του σχηματισμού ενός κρυστάλλου, κατά το οποίο τα άτομα αρχίζουν να οργανώνονται σε μια διατεταγμένη δομή.
Η διαδικασία χρησιμοποιεί ένα φράγμα οξειδίου, όπως το οξείδιο του αφνίου (HfO₂), το οποίο περιβάλλει την καθορισμένη περιοχή ανάπτυξης. Το οξυγόνο που απελευθερώνεται από το φράγμα λειτουργεί ως παράγοντας χάραξης, καταστέλλοντας τον ανεπιθύμητο σχηματισμό κρυστάλλων.
Η επίδραση του οξυγόνου είναι ισχυρότερη κοντά στις άκρες της διαμορφωμένης περιοχής και εξασθενεί σταδιακά προς το κέντρο.
Έτσι δημιουργούνται συνθήκες που ευνοούν τον σχηματισμό κρυστάλλου σε ένα μοναδικό κεντρικό σημείο. Μόλις αρχίσει η ανάπτυξη σε αυτό το σημείο, η διαδικασία καταστέλλει επίσης τον σχηματισμό πρόσθετων κρυστάλλων σε κοντινές περιοχές.
Χρησιμοποιώντας αυτή τη μέθοδο, οι ερευνητές κατάφεραν να αναπτύξουν μεμονωμένους κρυστάλλους MoS₂ στις καθορισμένες κεντρικές θέσεις σε περισσότερα από 99% των 400 διαμορφωμένων περιοχών.
Η ομάδα επέδειξε επίσης επιλεκτική εναπόθεση μετάλλου χρησιμοποιώντας δομές που συνδυάζουν δισουλφίδιο του μολυβδαινίου και δισεληνιούχο μολυβδαίνιο (MoSe₂).
Σε αυτές τις δομές, ένα λεπτό μεταλλικό υμένιο ρουθηνίου σχηματίστηκε επιλεκτικά στις περιοχές MoSe₂, καταδεικνύοντας έναν ακόμη τρόπο ελέγχου της τοποθέτησης υλικών κατά την κατασκευή ημιαγωγών.
Τα στοιβαγμένα μικροτσίπ έρχονται πιο κοντά
Οι δισδιάστατοι ημιαγωγοί εξετάζονται για την κατασκευή μελλοντικών μικροτσίπ, επειδή διατηρούν τις ημιαγωγικές τους ιδιότητες ακόμη και όταν έχουν πάχος μόλις λίγων ατομικών στρωμάτων.
Το μικρό τους πάχος θα μπορούσε να επιτρέψει στους κατασκευαστές να στοιβάζουν κάθετα υπολογιστικά στοιχεία και στοιχεία μνήμης, μειώνοντας την απόσταση που διανύουν τα δεδομένα μεταξύ τους.
Η μεταφορά δεδομένων μέσα σε ένα μικροτσίπ καταναλώνει ενέργεια και συμβάλλει στις καθυστερήσεις επεξεργασίας. Η τοποθέτηση των στοιχείων πιο κοντά μεταξύ τους θα μπορούσε να μειώσει αυτές τις επιβαρύνσεις, ιδιαίτερα σε συστήματα που διαχειρίζονται μεγάλα υπολογιστικά φορτία.
Ωστόσο, η παραγωγή τέτοιων μικροτσίπ απαιτεί ακριβή έλεγχο της ανάπτυξης των ημιαγωγών σε επιφάνειες που περιέχουν ήδη κατασκευασμένα κυκλώματα.
Η τεχνική του KAIST προσφέρει έναν πιθανό τρόπο ανάπτυξης υλικών υψηλής ποιότητας δύο διαστάσεων απευθείας στις προκαθορισμένες θέσεις, αποφεύγοντας την ανάγκη ξεχωριστής κατασκευής τους και στη συνέχεια μεταφοράς τους πάνω σε ένα μικροτσίπ.
Οι ερευνητές μελέτησαν τον μηχανισμό μέσω πειραμάτων ανάπτυξης και προσομοιώσεων, αλλά δεν έχουν επιδείξει έναν πλήρως λειτουργικό επεξεργαστή με στοιβαγμένα στρώματα ούτε έχουν μετρήσει βελτιώσεις στην ταχύτητα υπολογισμών ή στην κατανάλωση ενέργειας.
Τα ευρήματα τεκμηριώνουν τον έλεγχο της πυρήνωσης των κρυστάλλων και όχι την απόδοση εμπορικών μικροτσίπ. Θα απαιτηθεί περαιτέρω ανάπτυξη για να διαπιστωθεί εάν η μέθοδος μπορεί να ενσωματωθεί σε βιομηχανική κλίμακα στην παραγωγή ημιαγωγών.
(Η μελέτη δημοσιεύθηκε στις 8 Οκτωβρίου στο επιστημονικό περιοδικό Nature)
www.worldenergynews.gr
