실리콘 웨이퍼에 2D 기능성 트랜지스터 성장

전자 및 센서 내부자

무어의 법칙에 따라 마이크로칩의 트랜지스터 수는 1960년대 이후 매년 두 배로 늘어났습니다. 그러나 이 궤적은 현대 트랜지스터의 중추인 실리콘이 이 재료로 만들어진 장치가 특정 크기 아래로 떨어지면 전기적 특성을 잃기 때문에 곧 안정될 것으로 예상됩니다.

단일 원자만큼 얇은 완벽한 결정으로 이루어진 섬세한 2차원 시트인 2D 재료를 만나보세요. 나노미터 규모에서 2D 재료는 실리콘보다 훨씬 효율적으로 전자를 전도할 수 있습니다. 따라서 차세대 트랜지스터 재료에 대한 연구는 실리콘의 잠재적인 후속 제품인 2D 재료에 초점을 맞춰 왔습니다.

그러나 전자 산업이 2D 재료로 전환하기 전에 과학자들은 먼저 완벽한 결정 형태를 유지하면서 업계 표준 실리콘 웨이퍼에서 재료를 엔지니어링할 수 있는 방법을 찾아야 합니다. 그리고 MIT 엔지니어들은 이제 해결책을 갖게 되었습니다.

연구팀은 칩 제조업체가 기존 실리콘 및 기타 재료 웨이퍼에서 성장시켜 2D 재료로 더욱 작은 트랜지스터를 제작할 수 있는 방법을 개발했습니다. 새로운 방법은 산업용 실리콘 웨이퍼에 순수하고 결함이 없는 2D 재료를 성장시키기 위해 처음으로 팀이 사용한 "비피택셜 단결정 성장"의 한 형태입니다.

연구팀은 그들의 방법을 사용하여 나노미터 규모에서 실리콘보다 전기를 더 잘 전도하는 것으로 알려진 전이 금속 디칼코게나이드(TMD)라고 불리는 2D 재료로 간단한 기능성 트랜지스터를 제작했습니다.

김지환 MIT 기계공학과 부교수는 “우리 기술이 2차원 반도체 기반의 고성능 차세대 전자소자 개발을 가능하게 할 것으로 기대한다”고 말했다. "우리는 2D 재료를 사용하여 무어의 법칙을 따라잡을 수 있는 방법을 찾았습니다." Kim과 그의 동료들은 Nature에 게재된 논문에서 그들의 방법을 자세히 설명했습니다.

2D 재료를 생산하기 위해 연구자들은 일반적으로 양파 층을 벗겨내는 것과 같이 원자 얇은 플레이크를 벌크 재료에서 조심스럽게 벗겨내는 수동 공정을 사용했습니다.

그러나 대부분의 벌크 재료는 무작위 방향으로 성장하는 여러 결정을 포함하는 다결정입니다. 하나의 결정이 다른 결정과 만나는 곳에서 "입자 경계"는 전기 장벽 역할을 합니다. 하나의 결정을 통해 흐르는 전자는 다른 방향의 결정과 만나면 갑자기 중단되어 재료의 전도성을 약화시킵니다. 2D 플레이크를 박리한 후 연구원들은 플레이크에서 "단결정" 영역을 검색해야 합니다. 이는 산업 규모에 적용하기 어려운 지루하고 시간 집약적인 프로세스입니다.

최근 연구자들은 2D 재료를 동일한 단결정 방향으로 조립하도록 촉진하는 육각형 원자 패턴을 가진 재료인 사파이어 웨이퍼에서 성장시켜 2D 재료를 제조하는 다른 방법을 발견했습니다.

"그러나 메모리나 로직 산업에서는 어느 누구도 사파이어를 사용하지 않습니다"라고 Kim은 말합니다. "모든 인프라가 실리콘 기반입니다. 반도체 공정을 위해서는 실리콘 웨이퍼를 사용해야 합니다." 그러나 실리콘 웨이퍼에는 사파이어의 육각형 지지대가 부족합니다. 따라서 연구자들이 실리콘 위에 2D 재료를 성장시키려고 시도할 때 결과적으로 결정의 무작위 패치워크가 우연히 합쳐져 전도성을 방해하는 수많은 결정립 경계를 형성하게 됩니다.

팀의 새로운 "비축성 단결정 성장"은 2D 재료의 박편을 벗겨내고 검색할 필요가 없습니다. 대신, 연구진은 기존의 기상 증착 방법을 사용하여 실리콘 웨이퍼에 원자를 펌핑합니다. 원자는 결국 웨이퍼에 정착하고 핵을 형성하여 2차원 결정 방향으로 성장합니다. 그대로 두면 각각의 "핵", 즉 결정의 씨앗이 실리콘 웨이퍼 전체에 걸쳐 무작위 방향으로 성장하게 됩니다. 그러나 Kim과 그의 동료들은 전체 웨이퍼에 걸쳐 단결정 영역을 생성하기 위해 성장하는 각 결정을 정렬하는 방법을 찾았습니다.

이를 위해 그들은 먼저 실리콘 웨이퍼를 "마스크"로 덮었습니다. 이 코팅은 작은 주머니로 패턴화한 이산화규소 코팅으로 각 주머니는 결정 종자를 가두도록 설계되었습니다. 그런 다음 마스크된 웨이퍼 전체에 원자 가스를 흐르게 하여 각 포켓에 침전되어 2D 재료(이 경우 TMD)를 형성했습니다. 마스크의 포켓은 원자를 모아서 동일한 단결정 방향으로 실리콘 웨이퍼에 조립되도록 했습니다.