Durch die Ablagerung von Atomen auf einem mit einer "Maske" beschichteten Wafer (oben links) können die MIT-Ingenieure die Atome in den einzelnen Taschen der Maske (Mitte) anordnen und die Atome dazu bringen, zu perfekten, einkristallinen 2D-Schichten zu wachsen (unten rechts). (Quelle: MIT)

 

Mit Übergangsmetall-Dichalkogeniden (TMD) wollen Ingenieure des Massachusetts Institute of Technology (MIT) die Elektronik revolutionieren. Dieses Material besteht aus einem Metall wie Molybdän oder Wolfram sowie einem der drei Elemente Schwefel, Selen oder Tellur. Als 2D-Werkstoff, der nur so dick ist wie ein einziges Molekül, hat er faszinierende Eigenschaften. Er leitet Strom besser als Silizium, der heutige Hauptwerkstoff der Elektronik. Zudem hat TMD alle Eigenschaften, die ein Rohstoff für die Herstellung von Transistoren benötigt, sodass er irgendwann Silizium ablösen könnte.

 

Mooresche Gesetz bleibt gültig

"Wir erwarten, dass unsere Technologie die Entwicklung von 2D-Halbleiter-basierten, leistungsstarken elektronischen Geräten der nächsten Generation ermöglichen könnte. Wir haben einen Weg gefunden, das Mooresche Gesetz mit 2D-Materialien einzuhalten", sagt MIT-Forscher Jeehwan Kim. Damit bezieht er sich auf Gordon Moore, Mitgründer des Chipkonzerns Intel, der das Gesetz 1965 formulierte. Es besagt, dass alle ein bis drei Jahre die Zahl der Transistoren verdoppelt, die auf einer bestimmten Fläche Platz haben.

 

Silizium ist an der Obergrenze angekommen. Mit diesem Werkstoff lässt sich das Gesetz nicht mehr aufrechterhalten. Mit 2D-Werkstoffen schon, glauben die MIT-Ingenieure, die auch das Know-how mehrerer anderer Forschungseinrichtungen in den USA und Südkorea angezapft haben, um zum Ziel zu kommen. Das Geheimnis, wie TMD nutzbar gemacht werden kann, liegt darin, die 2D-Schichten auf einem Siliziumsubstrat abzuscheiden oder wachsen zu lassen. Genau das ist jetzt gelungen. Bisher entstand dabei ein Patchwork von Kristallen, die zahlreiche Korngrenzen, also Unregelmäßigkeiten bilden, die die Leitfähigkeit behindern. "Es galt fast als unmöglich, einkristalline 2D-Materialien auf Silizium zu züchten. Jetzt zeigen wir, dass wir es können. Unser Trick besteht darin, die Bildung von Korngrenzen zu verhindern", so Kim.

 

Mit Dampf zu perfekten Kristallen

Dieser Trick besteht darin, ZMD zu erhitzen, sodass sie dampfförmig werden. Dieser Dampf setzt sich auf dem Siliziumwafer ab und bildet ein 2D-Kristallgitter. Ohne Einfluss von außen entstünden zufällig orientierte Kristalle, die wiederum Hindernisse für den Stromfluss darstellten. Aber Kim und seine Kollegen haben einen Weg gefunden, jeden wachsenden Kristall so auszurichten, dass einkristalline Bereiche über den gesamten Wafer erzeugt werden. Um dies zu erreichen, bedeckten sie zunächst einen Siliziumwafer mit einer "Maske", einer gitterförmigen Beschichtung aus Siliziumdioxid.

 

Die winzigen Flächen dazwischen sollten, so stellten es sich die Entwickler vor, Atome aus dem darüberströmenden Dampf einfangen. Die Zwischenräume sind so bemessen, dass sich die TMD-Moleküle in der gewünschten einkristallinen Ausrichtung versammeln. "Die gesamte Community hatte die Suche nach 2D-Materialien für Prozessoren der nächsten Generation fast aufgegeben. Jetzt haben wir dieses Problem vollständig gelöst und die Möglichkeit geschaffen, Geräte kleiner als ein paar Nanometer zu machen", unterstreicht Kim abschließend.

(Quelle: pressetext.de)

 

Originalbeitrag:

https://news.mit.edu/2023/2d-atom-thin-industrial-silicon-wafers-0118