Forscher haben drei teuflisch schwierige technische Herausforderungen gelöst, die die Realisierung des Potenzials von halbleitenden 2D-Materialien, einem Schlüsselbestandteil für die Entwicklung neuer atomdicker Transistoren, die das Mooresche Gesetz zurücksetzen können, effektiv blockierten. Dank der Arbeiten eines institutionenübergreifenden Forscherteams scheint die Produktion hochwertiger 2D-Materialien im kommerziellen Maßstab nun gelöst zu sein.
Der Fortschritt der Halbleiterentwicklung wird durch natürliche Beschränkungen bedroht, die durch die Art und Weise, wie Transistoren hergestellt werden, und die verwendeten Materialien auferlegt werden. Dieses Hindernis für das Mooresche Gesetz zeichnet sich seit langem am Horizont ab, und zukunftsorientierte Wissenschaftler haben alternative Wege erforscht und entwickelt, um die angestrebte kontinuierliche Verbesserung zu erzielen.
Einer der wahrscheinlichsten praktischen Wege, mit denen die Halbleiterindustrie neue Impulse setzen kann, besteht darin, Silizium durch sogenannte 2D-Materialien zu ersetzen, um 2D-Transistoren herzustellen. Wissenschaftler, die sich eingehend mit 2D-Materialien befassen, haben mehrere attraktive Qualitäten hervorgehoben, die zu erheblichen Verbesserungen der Leistung, Effizienz und Skalierbarkeit beitragen sollten. Intels Components Research (CR) Group hat beispielsweise kürzlich neun Forschungspapiere vorgelegt, von denen einige die Verwendung neuer 2D-Materialien als Weg zur Entwicklung von Prozessoren mit über einer Billion Transistoren bis 2030 ankündigen.
Jetzt sind drei kritische Herausforderungen für die Kommerzialisierung von 2D-Materialien gelöst, behauptet die internationale Gruppe von Wissenschaftlern, wodurch die Herstellung von 2D-Materialien in einkristalliner Form auf Siliziumwafern möglich wird. Diese Herausforderungen wurden konkret wie folgt beschrieben:
- präzise kinetische Kontrolle des schichtweisen 2D-Materialwachstums,
- Beibehalten einer einzelnen Domäne während des Wachstums für eine gleichmäßige Dicke, und
- Kontrollierbarkeit der Schichtanzahl und Kristallinität im Wafer-Maßstab.
Sie können das vollständige Papier lesen, um weitere Einzelheiten zu jeder dieser Herausforderungen zu erfahren und zu erfahren, wie sie durch die vom multiinstitutionellen Team entwickelten Prozesse gelöst wurden. Die Arbeit ist in einem Papier detailliert (öffnet in neuem Tab) mit dem Titel ‘Non-epitaxial single-crystal 2D material growth by geometrische Confinement’ und veröffentlicht von der Zeitschrift Nature.
Sang-Hoon Bae, einer der Projektleiter und Professor für Maschinenbau und Materialwissenschaften an der McKelvey School of Engineering der Washington University in St. Louis, scheint von der Wirkung der Forschung überzeugt. „Wir glauben, dass unsere Confined-Wachstumstechnik all die großartigen Erkenntnisse in der Physik von 2D-Materialien auf das Niveau der Kommerzialisierung bringen kann, indem sie die Konstruktion von Schicht-für-Schicht-Heteroübergängen mit einer einzelnen Domäne im Wafermaßstab ermöglicht“, erklärte Bae. „Unser Erfolg wird eine starke Grundlage dafür schaffen, dass 2D-Materialien in industrielle Umgebungen passen.“
Wie bei allen Forschungen dieser Art kann es Jahre dauern, bis wir 2D-Materialien in praktischen Anwendungen sehen. Da jedoch Unternehmen wie Intel und Samsung stark an diesem Projekt beteiligt sind – und die Tatsache, dass Intel bereits 2D-Gate-All-Around-Transistoren (GAA) in seiner Forschungspipeline hat – könnte diese Zukunft früher kommen, als Sie denken.