پایان عصر سیلیکون؟ ویفر دوبعدی InSe چین در راه فتح تراشه‌های آینده
به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، سیلیکون به تازگی با رقیب طلایی خود رو‌به‌رو شده است.
دانشمندان چینی در یک پیشرفت چشمگیر، اولین نیمه‌رسانای دوبعدی ایندیم سلنید (InSe) در مقیاس ویفر جهان را ساختند که از سیلیکون عملکرد بهتری دارد و راه را برای تراشه‌های نسل بعدی هموار می‌کند.
InSe که به «نیمه‌رسانای طلایی» معروف است، مدت‌هاست که با ترکیب ایده‌آل خواص خود، از جمله تحرک بالای الکترون، شکاف باند مناسب و پروفیل فوق نازک، محققان را وسوسه کرده است.
اما تولید آن در مقیاس بزرگ، تاکنون، دشوار بوده است.
تیمی از محققان به رهبری پروفسور لیو کایهویی از دانشگاه پکن، با استفاده از یک استراتژی رشد جدید «جامد-مایع-جامد» که کیفیت کریستالی بی‌نظیر و خلوص فازی را در یک ویفر کامل ۲ اینچی ارائه می‌دهد، این کد را رمزگشایی کردند.
این مطالعه گزارش می‌دهد که ترانزیستور‌های مبتنی بر InSe از چندین نظر از سیلیکون پیشی می‌گیرند و تحرک الکترونی تا ۲۸۷ cm²/V·s و نوسانات زیرآستانه‌ای بسیار پایینی را در دمای اتاق نشان می‌دهند.
در طول گیت زیر ۱۰ نانومتر، این دستگاه‌ها حداقل نشتی، نسبت‌های روشن/خاموش بالا و انتقال بالستیک کارآمد را نشان دادند و حتی از معیار‌های IRDS ۲۰۳۷ برای محصول با تأخیر انرژی نیز پیشی گرفتند.
پیشرفت در رشد کریستال
دستیابی به رشد InSe در مقیاس ویفر کار کوچکی نبود. کار با این ماده به دلیل اختلاف فشار بخار شدید بین ایندیوم و سلنیوم و تمایل به تشکیل چندین فاز پایدار، بسیار دشوار است.
این مسائل مدت‌هاست که تلاش‌ها برای سنتز در سطح وسیع را با مشکل مواجه کرده و اغلب تنها به تولید پوسته‌های میکروسکوپی منجر شده است.
برای غلبه بر این مشکل، محققان یک روش تبدیل «جامد-مایع-جامد» توسعه دادند. آنها با پاشیدن یک لایه نازک InSe آمورف روی زیرلایه‌های یاقوت کبود شروع کردند.
سپس ویفر با ایندیم با نقطه ذوب پایین پوشانده شده و در یک حفره کوارتزی مهر و موم شد. گرم کردن آن تا حدود ۵۵۰ درجه سانتیگراد باعث ایجاد یک واکنش کنترل‌شده دقیق شد و به ایندیم اجازه داد تا یک محیط غنی از ایندیم موضعی ایجاد کند که باعث تبلور یکنواخت در فصل مشترک شد.
این امر منجر به تولید ویفر InSe با ضخامت ۲ اینچ و یکنواختی استثنایی در ضخامت، خلوص فازی و ساختار کریستالی شد که برای اولین بار در صنعت تولید می‌شود.
با استفاده از این ویفرها، تیم تحقیقاتی آرایه‌های ترانزیستوری با کارایی بالا ساخت که نه تنها کار می‌کردند، بلکه فوق‌العاده هم بودند.
این دستگاه‌ها تحرک الکترونی بسیار فراتر از نیمه‌رسانا‌های دوبعدی فعلی، همراه با رفتار سوئیچینگ نزدیک به حد بولتزمن را نشان دادند.
ترانزیستور‌ها همچنین عملکرد قوی در گره‌های با مقیاس عمیق نشان دادند، به طوری که کاهش اثر کاهش سد ناشی از تخلیه (DIBL) و محصولات تأخیر انرژی، بهتر از اهداف نقشه راه بین‌المللی برای دستگاه‌ها و سیستم‌ها (IRDS) برای سال ۲۰۳۷ بود.
منتقدان مجله ساینس با تأکید بر اهمیت جهانی این دستاورد، خاطرنشان کردند: «این کار نشان‌دهنده پیشرفتی در رشد کریستال است.»
تراشه نسل بعدی آماده است
حفظ نسبت اتمی کامل ۱:۱ ایندیوم و سلنیوم در طول رشد، یک تنگنای اصلی در سنتز دوبعدی InSe بوده است. روش این تیم به طور مؤثر این مشکل را حل می‌کند و نه تنها راه را برای InSe بلکه به طور بالقوه برای دسته وسیع‌تری از نیمه‌رسانا‌های دوبعدی، از جمله سایر کالکوژنید‌ها با فاز‌های ناپایدار، هموار می‌کند.
آنچه این موفقیت را حتی مهم‌تر می‌کند، سازگاری آن با فرآیند‌های CMOS موجود است که می‌تواند ادغام در دنیای واقعی را تسریع کند. محققان اکنون در حال بررسی ادغام ناهمگن با سایر مواد دوبعدی برای ساخت تراشه‌های چندمنظوره و عمودی هستند.
کاربرد‌های آینده شامل شتاب‌دهنده‌های هوش مصنوعی بسیار کم‌مصرف، پردازنده‌های محاسبات لبه‌ای و الکترونیک شفاف یا انعطاف‌پذیر برای دستگاه‌های هوشمند است.
با توجه به اینکه معیار‌های عملکردی از پیش‌بینی‌های بلندمدت سیلیکون فراتر رفته‌اند، InSe در مقیاس ویفر ممکن است به زودی به ستون فقرات دوران پس از سیلیکون تبدیل شود.
این مطالعه در مجله ساینس منتشر شده است.