Η αυξανόμενη ζήτηση για τσιπ υψηλής απόδοσης και χαμηλής κατανάλωσης, ωθούμενη από την τεχνητή νοημοσύνη και τα μεγάλα γλωσσικά μοντέλα, έχει εντείνει την αναζήτηση για τεχνολογίες ημιαγωγών της επόμενης γενιάς. Παρά την πρόβλεψη του Νόμου του Moore για διπλασιασμό της χωρητικότητας των ημιαγωγών κάθε δύο χρόνια, οι φυσικοί περιορισμοί καθιστούν την περαιτέρω αύξηση της απόδοσης ολοένα και πιο δύσκολη.
Ως απάντηση, οι δισδιάστατοι (2D) ημιαγωγοί αναδεικνύονται ως η κορυφαία υποψήφια λύση για υλικά τσιπ μετά τον Νόμο του Moore, καθώς επιτρέπουν τη συνεχή κλιμάκωση των τρανζίστορ. Σε έναν 2D ημιαγωγό, η ικανότητα αγωγής ηλεκτρικού ρεύματος μπορεί να τροποποιηθεί με την προσθήκη μικροσκοπικών ποσοτήτων άλλων στοιχείων, μια διαδικασία που ονομάζεται πρόσμιξη (doping), η οποία μπορεί να οδηγήσει σε υλικά τύπου n (αρνητικά) και τύπου p (θετικά).
Ενώ πολλοί 2D ημιαγωγοί τύπου n, όπως ο δισουλφίδιο του μολυβδαινίου και ο δισελενίδιο του μολυβδαινίου, είναι ήδη γνωστοί, οι σταθεροί και υψηλής απόδοσης 2D ημιαγωγοί τύπου p είναι σπάνιοι. “Τα τρανζίστορ σε ένα τσιπ απαιτούν υλικά τύπου n και p για να λειτουργούν σε ζεύγη. Η έλλειψη υψηλής απόδοσης υλικών τύπου p έχει γίνει ένα κρίσιμο εμπόδιο για την ανάπτυξη 2D ημιαγωγών κάτω των 5 νανομέτρων, και αποτελεί επίσης ένα σφοδρά αμφισβητούμενο επιστημονικό και τεχνολογικό σύνορο”, δήλωσε ο Zhu Mengjian από το Εθνικό Πανεπιστήμιο Άμυνας, σύμφωνα με την Science and Technology Daily.
Για την αντιμετώπιση αυτής της πρόκλησης, μια ομάδα επιστημόνων, με επικεφαλής τους καθηγητές Zhu, Ren Wencai και Xu Chuan, ανέπτυξε μια νέα μέθοδο παρασκευής 2D ημιαγωγών. Τα ευρήματά τους δημοσιεύτηκαν ηλεκτρονικά στις 26 Μαρτίου στο National Science Review. Η ομάδα ανέφερε ότι επανάστησε τη συμβατική διαδικασία χημικής εναπόθεσης ατμών (CVD) χρησιμοποιώντας μια διπλή στρώση υγρού χρυσού/βολφραμίου (Au/W) ως υπόστρωμα ανάπτυξης. Αυτό επέτρεψε την παραγωγή μονοστρωματικών φιλμ νιτριδίου βολφραμίου-πυριτίου σε κλίμακα wafer, με δυνατότητα ρύθμισης της πρόσμιξης.
Η νέα μέθοδος αύξησε το μέγεθος των μονοκρυσταλλικών περιοχών σε διαστάσεις υπο-χιλιοστομέτρων και επιτυγχάνει ρυθμό ανάπτυξης περίπου 1.000 φορές υψηλότερο από τις προηγουμένως αναφερόμενες τιμές. Αυτό μεταφράζεται σε 20 μικρόμετρα ανά λεπτό, από 1 μικρόμετρο σε πέντε ώρες, με τελικό μέγεθος φιλμ 3,6cm επί 1,8cm.
Όσον αφορά την απόδοση των τρανζίστορ, το μονοστρωματικό νιτρίδιο βολφραμίου-πυριτίου εμφανίζει όχι μόνο υψηλή κινητικότητα οπών και υψηλή πυκνότητα ρεύματος κατάστασης on, αλλά και υψηλή μηχανική αντοχή, εξαιρετική θερμική αγωγιμότητα και αξιοσημείωτη χημική σταθερότητα. Αυτή η αύξηση της παραγωγής αναμένεται να επιταχύνει τη βιομηχανική εφαρμογή των 2D ημιαγωγών. “Η επίτευξη μεγάλης κλίμακας ανάπτυξης μονοστρωματικού νιτριδίου βολφραμίου-πυριτίου με ελεγχόμενη πρόσμιξη είναι προαπαιτούμενο για την κλιμακούμενη ολοκλήρωση εφαρμογών συσκευών, και αυτό το έργο ανοίγει το δρόμο για τη χρήση του σε ολοκληρωμένα κυκλώματα CMOS”, ανέφερε ο Zhu.
“Το σημαντικότερο, αυτή η μέθοδος CVD που χρησιμοποιεί υγρό χρυσό ως υπόστρωμα ανάπτυξης παρέχει μια γενική και εξαιρετικά αποτελεσματική διαδρομή για την ταχεία ανάπτυξη άλλων 2D υλικών”. Πέρα από τα ολοκληρωμένα κυκλώματα, το υλικό προσφέρει προοπτικές στην οπτοηλεκτρονική, όπου μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε διόδους εκπομπής φωτός, φωτοανιχνευτές και λέιζερ. Η εξαιρετική του σταθερότητα το καθιστά επίσης κατάλληλο για αισθητήρες σε υγρά περιβάλλοντα και για βιο-διασυνδεδεμένες ηλεκτρονικές συσκευές.
