ساخت ماده نیمه هادی دوبعدی جدید با عملکرد بالا

با رشد سریع صنعت محاسبات، مهندسان در حال پیشرفت در توسعه نیمه هادی ها برای تامین نیازهای افزایش قدرت محاسباتی، کاهش اندازه تراشه ها و مدیریت توان در مدارهای پر تراکم هستند.

به گزارش تکناک، اخیراً، پروژه جدیدی که توسط مهندسان دانشگاه پنسیلوانیا انجام شده است، یک ماده نیمه هادی دوبعدی با کارایی بالا به نام سلنید ایندیوم (InSe) ایجاد کرده است. این ماده را می توان به یک ویفر تراشه در اندازه کامل و در مقیاس صنعتی رشد داد و در یک تراشه سیلیکونی ادغام کرد.

هدف اختراع جدید ابداع یک ماده نیمه هادی مناسب برای تراشه های محاسباتی پیشرفته بود.

غلبه بر چالش های طراحی

مهندسان به طور مداوم در توسعه نیمه هادی ها با یک چالش روبرو هستند و آن یکپارچه سازی مواد سیلیکونی است. طبق بیانیه دانشمندان، ساختار اصلی برای برآورده کردن الزامات یک نیمه هادی با عملکرد خوب بسیار ضخیم است، زیرا خواص سیلیکون اساساً به سه بعد محدود شده است.

به همین دلیل، دانشمندان، مهندسان و سازندگان میکروالکترونیک به نیمه هادی های دوبعدی که فوق العاده نازک و تقریباً فاقد ارتفاع هستند، علاقه زیادی نشان داده اند.

به گفته مهندسان، اجزای تراشه نازک تر، کنترل و دقت بیشتری را بر جریان برق در دستگاه فراهم می کنند و در عین حال میزان انرژی مورد نیاز برای تامین انرژی آن را کاهش می دهند.

به این ترتیب، یک نیمه هادی دوبعدی با تشکیل یک لایه نازک بر روی یک دستگاه سیلیکونی حمایت کننده، در به حداقل رساندن سطح تراشه کمک می کند.

در گذشته، دانشمندان با طراحی نیمه هادی های دو بعدی که به طور مستقل عملکرد خوبی داشتند، آزمایشات زیادی انجام دادند. با این حال، باقی مانده آنها در دماهای بیش از حد بالا، به تراشه سیلیکونی زیرین آسیب می رساند.

در حالی که سایر ویژگی های الکترونیکی نیمه هادی ها از جمله مصرف انرژی، سرعت و دقت وجود نداشت، در موارد دیگر، آنهایی که معیارهای دما را برآورده می کردند نمی توانستند به سطح خلوص لازم در اندازه های استاندارد مورد انتظار در صنعت برسند.

اکنون مهندسان با این موانع مقابله کرده اند و یک ماده نیمه هادی ساختند که می تواند در دماهای به اندازه کافی پایین ته نشین شود و به طور یکپارچه با یک تراشه سیلیکونی ترکیب شود.

ادغام بدون درز با تراشه های سیلیکونی

این مطالعه توسط دیپ جاریوالا، دانشیار، در دپارتمان مهندسی برق و سیستم (ESE) دانشگاه پنسیلوانیا رهبری شد.

جاریوالا تصریح کرد: تولید نیمه هادی یک فرآیند تولیدی در مقیاس صنعتی است. تا زمانی که نتوانید آن را روی ویفرهای صنعتی در مقیاس صنعتی تولید کنید، مواد قابل دوام نخواهید داشت.

هرچه تراشه های بیشتری بتوانید در یک دسته درست کنید، قیمت آن پایین تر است. اما برای اطمینان از عملکرد، مواد نیز باید خالص باشند. به همین دلیل است که سیلیکون بسیار رایج است. شما می توانید آن را در مقادیر زیاد بدون از دست دادن خلوص درست کنید.

ماده جدید InSe، به دلیل قابلیت‌های متمایز حمل بار الکتریکی، نویدبخش انقلابی در تراشه‌های محاسباتی است.

با این حال، تولید مواد جدید در مقادیر زیاد به دلیل نسبت‌های مولکولی ماده مورد نظر که محیط را تشکیل می‌دهند، دشوار است. این مطالعه خاطرنشان کرد که ساختارهای شیمیایی نسبت های متفاوت از هر عنصر را به خود می گیرد، بنابراین خلوص آن را به خطر می اندازد.

در این بیانیه تاکید شد که این دستاورد بر استفاده جاریوالا از تکنیک رشدی است که به طور موثر ویژگی‌های ساختار اتمی InSe را مدیریت می‌کند بدست آمده است.

جاریوالا گفت: برای اهداف فناوری محاسباتی پیشرفته، ساختار شیمیایی 2 بعدی  InSe باید دقیقاً 50:50 بین دو عنصر باشد. ماده به دست آمده برای کار کردن به ساختار شیمیایی یکنواختی در یک منطقه بزرگ نیاز دارد.

تکنیک رشد MOCVD منجر به موفقیت شد

علاوه بر این، دانشمندان نشان دادند که ساختار این ماده با استفاده از تکنیک رشدی به نام رسوبات بخار شیمیایی فلز-آلی عمودی (MOCVD) به دست آمده است.

علیرغم تحقیقات گذشته که ترکیب ایندیم و سلنیوم را به نسبت مساوی معرفی کرده بود، این نوآوری با یافتن ساختارهای شیمیایی نامطلوب در مواد حاصل شد.

در نتیجه، بیانیه گزارش داد که این ماده مولکول‌هایی با نسبت‌های متفاوت از هر عنصر تولید می‌کند. برعکس، MOCVD با ارائه مداوم ایندیم و معرفی همزمان سلنیوم در پالس های دوره ای عمل می کند.

جاریوالا توضیح داد که پالس به ترکیب ایندیوم و سلنیوم کمک می کند. در لحظات بین پالس ها، شما محیط را از سلنیوم محروم می کنید، که از افزایش بیش از حد نسبت جلوگیری می کند. فایده پالس مکث است. اینگونه که نسبت یکنواخت 50:50 را در کل ویفر سایز کامل خود به دست می آوریم.

مهندسان بیشتر کنترل و هم ترازی را در جهت کریستال ها نشان دادند و کیفیت نیمه هادی آنها را با فراهم کردن محیطی بدون درز برای انتقال الکترون بیشتر کردند.

جاریوالا گفت: دو ویژگی مهم مواد در نیمه هادی ها خلوص شیمیایی و نظم کریستالی است و مهمترین کیفیت صنعتی مقیاس پذیری است.

این مطالعه در 9 آگوست در مجله – Matter منتشر شد.