Phát triển vật liệu 2D siêu mỏng

Các nhà nghiên cứu từ MIT đã phát triển một quy trình tăng trưởng ở nhiệt độ thấp để tích hợp trực tiếp vật liệu 2D lên chip silicon, tạo ra chất bán dẫn dày đặc hơn và mạnh hơn. Công nghệ này vượt qua những thách thức trước đây liên quan đến nhiệt độ cao và sự không hoàn hảo trong quá trình truyền vật liệu. Nó cũng giảm thời gian tăng trưởng và cho phép các lớp đồng nhất trên các tấm wafer 8 inch lớn hơn, khiến nó trở nên lý tưởng cho các ứng dụng thương mại.

Tuy nhiên, các bóng bán dẫn bán dẫn làm từ vật liệu 2D siêu mỏng, mỗi bóng chỉ dày khoảng ba nguyên tử, có thể được xếp chồng lên nhau để tạo ra những con chip mạnh hơn. Để đạt được mục tiêu này, các nhà nghiên cứu của MIT hiện đã trình diễn một công nghệ mới có thể phát triển hiệu quả và hiệu quả các lớp vật liệu dichalcogenide kim loại chuyển tiếp 2D (TMD) trực tiếp trên đỉnh của chip silicon được chế tạo hoàn chỉnh để cho phép tích hợp dày đặc hơn.

Tuy nhiên, việc phát triển vật liệu 2D trực tiếp lên tấm wafer silicon CMOS cũng đặt ra một thách thức lớn vì quá trình này thường yêu cầu nhiệt độ khoảng 600 độ C, trong khi các bóng bán dẫn và mạch silicon có thể bị hỏng khi nhiệt độ trên 400 độ C. Vì thế, nhóm liên ngành gồm các nhà nghiên cứu của MIT đã phát triển một quy trình tăng trưởng ở nhiệt độ thấp không làm hỏng chip. Công nghệ này cho phép các bóng bán dẫn bán dẫn 2D được tích hợp trực tiếp trên các mạch silicon tiêu chuẩn.

Trước đây, các nhà nghiên cứu đã phát triển vật liệu 2D ở nơi khác rồi chuyển chúng vào chip hoặc tấm wafer. Điều này thường gây ra sự không hoàn hảo cản trở hiệu suất của các thiết bị và mạch cuối cùng. Quy trình mới này tạo ra một lớp mịn, đồng nhất cao trên toàn bộ tấm wafer 8 inch.

Trong khi các phương pháp trước đây cần hơn một ngày để phát triển một lớp vật liệu 2D, thì phương pháp mới có thể phát triển một lớp vật liệu TMD đồng nhất trong vòng chưa đầy một giờ trên toàn bộ các tấm wafer 8 inch.

Vật liệu mỏng với tiềm năng to lớn

Việc phát triển các màng molybdenum disulfua mỏng trên một bề mặt có tính đồng nhất tốt thường được thực hiện thông qua một quá trình được gọi là lắng đọng hơi hóa học hữu cơ kim loại (MOCVD). Molybdenum hexacarbonyl và diethylene sulfur, hai hợp chất hóa học hữu cơ có chứa các nguyên tử molypden và lưu huỳnh, bốc hơi và được làm nóng bên trong buồng phản ứng, nơi chúng phân hủy thành các phân tử nhỏ hơn. Sau đó, chúng liên kết với nhau thông qua các phản ứng hóa học để tạo thành chuỗi molybdenum disulfide trên bề mặt.

Nhưng việc phân hủy các hợp chất molypden và lưu huỳnh này, được gọi là tiền chất cần nhiệt độ trên 550 độ C, trong khi các mạch silicon bắt đầu phân hủy khi nhiệt độ vượt quá 400 độ C.

Vì vậy, các nhà nghiên cứu đã sáng tạo, họ đã thiết kế và chế tạo một lò hoàn toàn mới cho quá trình lắng đọng hơi hóa chất hữu cơ kim loại.

Lò bao gồm hai buồng, vùng nhiệt độ thấp ở phía trước nơi đặt tấm wafer silicon và vùng nhiệt độ cao ở phía sau. Molypden bay hơi và tiền chất lưu huỳnh được bơm vào lò. Molypden nằm trong vùng nhiệt độ thấp, nơi nhiệt độ được giữ dưới 400 độ C, đủ nóng để phân hủy tiền chất molypden nhưng không quá nóng đến mức làm hỏng chip silicon.

Tiền chất lưu huỳnh chảy vào vùng nhiệt độ cao, nơi nó bị phân hủy. Sau đó, nó quay trở lại khu vực nhiệt độ thấp, nơi diễn ra phản ứng hóa học để phát triển molypden disulfide trên bề mặt của tấm wafer.

Tăng trưởng nhanh hơn và đồng nhất tốt hơn

Một vấn đề với quy trình này là các mạch silicon thường có lớp trên cùng là nhôm hoặc đồng để chip có thể được kết nối với gói hoặc vật mang trước khi nó được gắn vào bảng mạch in. Nhưng lưu huỳnh làm cho các kim loại này bị lưu huỳnh hóa, giống như cách một số kim loại bị gỉ khi tiếp xúc với oxy, làm mất tính dẫn điện của chúng. Các nhà nghiên cứu đã ngăn chặn quá trình lưu huỳnh hóa bằng cách trước tiên phủ một lớp vật liệu thụ động hóa rất mỏng lên trên con chip. Sau đó, họ có thể mở lớp thụ động để tạo kết nối.

Họ cũng đặt tấm wafer silicon vào vùng nhiệt độ thấp của lò theo chiều dọc, thay vì theo chiều ngang. Bằng cách đặt nó theo chiều dọc, không có đầu nào ở quá gần vùng nhiệt độ cao, do đó không có phần nào của tấm wafer bị nhiệt làm hỏng. Ngoài ra, các phân tử khí lưu huỳnh và molypden xoáy xung quanh khi chúng va vào phoi thẳng đứng, thay vì chảy trên bề mặt nằm ngang. Hiệu ứng tuần hoàn này giúp cải thiện sự phát triển của molybdenum disulfide và dẫn đến tính đồng nhất của vật liệu tốt hơn.

Trong tương lai, các nhà nghiên cứu muốn tinh chỉnh kỹ thuật của họ và sử dụng nó để phát triển nhiều lớp bóng bán dẫn 2D xếp chồng lên nhau. Ngoài ra, các nhà nghiên cứu muốn khám phá việc sử dụng quy trình tăng trưởng nhiệt độ thấp cho các bề mặt linh hoạt, như polyme, hàng dệt hoặc thậm chí cả giấy. Điều này có thể cho phép tích hợp chất bán dẫn vào các đồ vật hàng ngày như quần áo hoặc sổ ghi chép.

Tag: vật liệu 2D wafer silicon chip silicon Molypden