シリコンウェーハ上に 2D 機能トランジスタを成長させる

エレクトロニクスとセンサー INSIDER

ムーアの法則に従って、マイクロチップ上のトランジスタの数は 1960 年代以来毎年 2 倍になっています。 しかし、現代のトランジスタの根幹であるシリコンは、この材料で作られたデバイスが一定のサイズ以下になると電気的特性を失うため、この軌道はすぐに頭打ちになると予測されている。

2D マテリアル、つまり単一原子と同じくらい薄い完璧な結晶の繊細な 2 次元シートの登場です。 ナノメートルのスケールでは、2D 材料はシリコンよりもはるかに効率的に電子を伝導できます。 したがって、次世代トランジスタ材料の探索は、シリコンの後継となる可能性のある 2D 材料に焦点を当てています。

しかし、エレクトロニクス業界が 2D 材料に移行する前に、科学者はまず、完全な結晶形態を維持しながら業界標準のシリコン ウェーハ上に材料を加工する方法を見つけなければなりません。 そして、MIT のエンジニアは解決策を見つけられるかもしれません。

同チームは、チップメーカーが既存のシリコンやその他の材料のウェハ上にトランジスタを成長させることで、2D材料からこれまで以上に小型のトランジスタを製造できるようにする方法を開発した。 この新しい方法は「非エピタキシャル単結晶成長」の一種で、研究チームはこれを初めて、純粋で欠陥のない2D材料を工業用シリコンウェーハ上に成長させるために使用した。

研究チームは、この方法を用いて、遷移金属ダイカルコゲナイド（TMD）と呼ばれる2D材料から単純な機能トランジスタを作製した。TMDはナノメートルスケールでシリコンよりも電気を通すことが知られている。

MIT機械工学准教授のJeehwan Kim氏は、「我々の技術により、2D半導体ベースの高性能次世代電子デバイスの開発が可能になると期待している」と述べた。 「私たちは 2D マテリアルを使用してムーアの法則に追いつく方法を解き放ちました。」 Kim と彼の同僚は、Nature に掲載された論文でその方法を詳しく説明しています。

2D 材料を製造するために、研究者は通常、タマネギの層を剥がすように、原子ほどの薄さのフレークをバルク材料から注意深く剥離する手動プロセスを採用してきました。

しかし、ほとんどのバルク材料は多結晶であり、ランダムな方向に成長する複数の結晶が含まれています。 ある結晶が他の結晶と接触する場所では、「粒界」が電気障壁として機能します。 1 つの結晶を流れる電子は、異なる方向の結晶に遭遇すると突然停止し、材料の導電性が減衰します。 2D フレークを剥離した後、研究者はフレーク内で「単結晶」領域を検索する必要があります。これは退屈で時間のかかるプロセスであり、工業規模での適用は困難です。

最近、研究者らは、2D 材料を同じ単結晶配向で集合させるための原子の六角形パターンを持つ材料であるサファイアのウエハ上で成長させることにより、2D 材料を製造する別の方法を発見しました。

「しかし、メモリ業界やロジック業界では誰もサファイアを使用していません」とキム氏は言う。 「すべてのインフラはシリコンに基づいています。半導体プロセスにはシリコンウェーハを使用する必要があります。」 しかし、シリコンのウェーハにはサファイアのような六角形の支持足場がありません。 そのため、研究者がシリコン上に 2D 材料を成長させようとすると、ランダムに融合した結晶のランダムなパッチワークが生成され、導電性を妨げる多数の粒界が形成されます。

研究チームの新しい「非エピタキシャル単結晶成長」では、2D 材料のフレークを剥がしたり検索したりする必要がありません。 代わりに、研究者らは従来の蒸着法を使用して、シリコンウェーハ全体に原子を送り込みます。 原子は最終的にウェーハ上に定着して核生成し、二次元の結晶方位に成長します。 放っておくと、それぞれの「核」、つまり結晶の種がシリコン ウェーハ全体でランダムな方向に成長します。 しかし、キム氏と彼の同僚は、成長する各結晶を整列させてウェーハ全体に単結晶領域を作成する方法を発見した。

これを行うために、彼らはまずシリコンウェハーを「マスク」で覆いました。これは二酸化ケイ素のコーティングで、結晶の種を閉じ込めるように設計された小さなポケットにパターン化されました。 次に、マスクされたウェーハ全体に原子のガスを流し、各ポケットに落ち着かせて 2D 材料 (この場合は TMD) を形成しました。 マスクのポケットは原子を囲い込み、同じ単結晶配向でシリコンウェーハ上に集合することを促しました。

「これは非常に驚くべき結果だ」とキム氏は語った。 「2D 材料とシリコン ウェーハの間にエピタキシャル関係がない場合でも、どこでも単結晶成長が見られます。」

研究チームはマスキング方法を使用して単純な TMD トランジスタを製造し、その電気的性能が同じ材料の純粋なフレークと同等に優れていることを示しました。

彼らはまた、この方法を多層デバイスの設計にも応用しました。 シリコンウェハをパターン化されたマスクで覆った後、あるタイプの2D材料を成長させて各正方形の半分を埋め、次に2番目のタイプの2D材料を最初の層の上に成長させて残りの正方形を埋めた。 その結果、各正方形内に極薄の単結晶二重層構造が形成されました。 キム氏は、将来的には、この方法で複数の 2D 材料を成長させて積層し、極薄で柔軟な多機能フィルムを作成できる可能性があると述べています。

「これまで、シリコンウェーハ上に単結晶の形で 2D 材料を作成する方法はありませんでした。そのため、2D 材料を転送せずに次世代プロセッサを実現するためにコミュニティ全体が苦労してきました」と Kim 氏は言います。 「今、私たちはデバイスを数ナノメートルより小さくする方法でこの問題を解決しました。これはムーアの法則のパラダイムを変えるでしょう。」

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