2D-полупроводники спасут закон Мура?

Использование дисульфида молибдена в качестве смазки известно с 17 века, когда переселенцы применяли его для смазывания осей тележек. С 1940-х годов вещество широко используется как компонент смазочных материалов. В природе дисульфид молибдена встречается в виде минерала — молибденита (на фото)

Закон Мура — эмпирическое предположение, что число транзисторов в интегральных схемах удваивается каждые несколько лет. Однако этот закон начал давать сбои, поскольку транзисторы теперь настолько малы, что современные технологии на основе кремния не могут предложить дальнейших возможностей для уменьшения их физических размеров.

Группа учёных из Университета Нового Южного Уэльса (Австралия) и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) опубликовала описание технологии производства двумерных полупроводников, которые теоретически могут решить проблему.

Двумерные полупроводники позволяют распространение электронов вдоль плоскости, что имеет целый ряд преимуществ: 1) очень удобное переключение транзистора из открытого состояния в закрытое и наоборот; 2) направленное движение электронов без рассеяния, то есть на двумерных материалах можно сделать транзисторы с нулевым электрическим сопротивлением, которые вообще не тратят энергию впустую при включении/выключении. Такие материалы называются сверхпроводники.

Если сопротивление равно нулю, то что получается, процессоры со сверхпроводимостью не будут греться вообще?

Впрочем, обо всё по порядку.

Да, теоретически мы действительно можем получить транзисторы с нулевым сопротивлением. Но на самом деле существует много технологических барьеров, которые необходимо преодолеть для создания таких совершенных сверхтонких полупроводников. Одним из препятствий является то, что осаждённые ультратонкие плёнки слишком неоднородны, то есть с межзёренными границами. Эти границы представляют собой поверхность раздела двух кристаллитов в поликристаллическом материале, дефект кристаллической структуры. От них носители заряда как бы отскакивают и, следовательно, увеличиваются потери на сопротивление.

Одним из самых многообещающих сверхтонких полупроводников является дисульфид молибдена (MoS₂), электронные свойства которого изучаются в течение последних двух десятилетий.

Однако получение двумерного MoS₂ в промышленных масштабах оказалось реальной проблемой. Ещё ни одна промышленная технология осаждения MoS₂ не продемонстрировала возможность получения плёнки без межзёренных границ, что критически важно для полупроводниковой промышленности. И вот именно здесь мы подходим к научной работе, которую опубликовали исследователи из школы химической инженерии Университета Нового Южного Уэльса и UCLA. Они разработали новый подход к самоосаждению MoS₂, позволяющий устранить межзёренные границы, упомянутые выше.

Уникальная возможность устранить зернистость достигнута с помощью металлического галлия в жидком состоянии. Галлий — удивительный металл с низкой температурой плавления всего 29,8 °C. Это означает, что при комнатной температуре он твёрдый, а если взять в ладонь — сразу плавится. Он становится жидким, поэтому его поверхность атомарно гладкая. При этом жидкость остаётся металлом, так что поверхность обеспечивает большое количество свободных электронов для облегчения химических реакций.

Приблизив источники молибдена и серы к поверхности жидкого галлия, точнее, эвтектического сплава индия с галлием, учёные сумели реализовать химические реакции, которые образуют молибден-серные связи, чтобы получить необходимую плёнку MoS₂. Сформированный двумерный материал нанесён на атомарно гладкую поверхность галлия, поэтому он естественным путём образует идеально плоскую форму без зернистости.

Самоосаждение MoS_x на поверхности эвтектического сплава индия с галлием (EGaIn). На дальнейших шагах техпроцесса получается двумерная полупроводниковая плёнка идеальной структуры без зернистости. Процесс можно проводить в промышленном масштабе

На иллюстрации вверху показано, как происходит самоосаждение MoS₂. На иллюстрации внизу — непосредственно сами листы.

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия высокого разрешения кристаллических листов MoS₂. На иллюстрация G и F: схема кристаллов и реальная восьмиугольная структура кристаллов

Это очень важный шаг для промышленного производства сверхгладких плоских полупроводников.

Исследователи UNSW планируют усовершенствовать технологию для создания других двумерных полупроводников и диэлектрических материалов, которые используются в микроэлектронике. Учёные подчёркивают, что этот метод представляет собой универсальную процедуру осаждения любого двумерного дихалькогенида переходного металла (2D TMD или ДПМ) больших размеров, которая может быть адаптирована для крупномасштабного производства, заменив традиционные методы получения 2D TMD.

Научная статья опубликована 2 октября 2020 года в журнале Advanced Functional Materials (doi: 10.1002/adfm.202005866).