أشباه الموصلات ذات الإيقاع المنخفض 2D: تحول رقاقة

ترى عمالقة الرقائق مثل Intel و Samsung و TSMC مستقبلاً حيث يتم استبدال الأجزاء الرئيسية من ترانزستورات السيليكون بأشباه الموصلات التي لا تصل سوى ببعض الذرات. على الرغم من أنهم أبلغوا عن تقدم نحو هذا الهدف ، إلا أنه يُعتقد أن هذا المستقبل عمومًا على بعد أكثر من عقد من الزمان. الآن يعتقد بدء التشغيل من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أنه قام بتكسير الكود لصنع النطاق التجاري أشباه الموصلات 2Dو ويتوقع أن يدمج صانعي الرقائق في رقائق متقدمة في نصف ذلك الوقت.

طور cdimension عملية لزراعة ثاني كبريتيد الموليبدينوم (MOS₂) ، أشباه الموصلات ثنائية الأبعاد ، على السيليكون في درجة حرارة منخفضة بما لا يتجاوز أنه لن يضر دوائر السيليكون الكامنة. يمكن أن يسمح ذلك بدمج طبقات الترانزستورات ثنائية الأبعاد فوق دوائر السيليكون الموجودة وفي النهاية تم صنع رقائق ثلاثية الأبعاد متعددة المستويات من الأجهزة 2D.

يقول الرئيس التنفيذي لشركة Cdimension والمؤسس المشارك Jiadi Zhu: “يفكر الكثير من الناس في أشباه الموصلات ثنائية الأبعاد كشيء لا يزال في المختبر”. “لكن Cdimension لديه أداة ملكية مصممة لنمو المواد ثنائية الأبعاد … وتناولنا الكثير من الأهمية [2D materials] المشكلات المتعلقة بتوحيد الرقاقة ، فيما يتعلق بأداء الجهاز والاختلاف ، فيما يتعلق بموثوقية الجهاز ، فيما يتعلق بالتوافق مع عمليات تصنيع السيليكون. ” ويقول إن أشباه الموصلات ثنائية الأبعاد مستعدة للدخول إلى مرحلة صناعية من التنمية.

تتوقف الكثير من خطط Cdimension على عملية ملكية تستخدمها لتنمية طبقة واحدة من MOS₂ على السيليكون وغيرها من الركائز في حوالي 200 درجة مئوية عبر رقائق 300 ملليمتر بالكامل. تتشكل المواد ثنائية الأبعاد عن طريق ترسب البخار الكيميائي ، حيث تتفاعل المواد الكيميائية للسلائف البخارية على سطح لغطائه. ولكن عادةً ما تتطلب تفاعلات صنع المواد ثنائية الأبعاد درجات حرارة تزيد عن 1000 درجة مئوية. هذا مرتفع لدرجة أنه من شأنه أن يلحق الضرر بأي الهياكل الأساسية اللازمة لصنع الترانزستورات. يتجول الباحثون اليوم من خلال إيداع أشباه الموصلات ثنائية الأبعاد بشكل منفصل ثم نقلها بدقة إلى رقاقة من السيليكون. لكن نظام Cdimension يمكن أن ينمو المواد مباشرة على رقاقة السيليكون دون أضرار.

أعمال أشباه الموصلات ثنائية الأبعاد

جزء من أعمال بدء التشغيل في الوقت الحالي هو شحن رقائق السيليكون مع مواد ثنائية الأبعاد تزرع عليها حتى يتمكن العملاء من تقييمها وبناء الأجهزة. بدلاً من ذلك ، يمكن للعملاء إرسال رقائق تمت معالجتها بالفعل بحيث يكون لديهم دوائر أو هياكل السيليكون عليها. يمكن أن ينمو cdimension بعد ذلك₂ أو مواد ثنائية أخرى على قمة ذلك وإرسالها إلى العملاء ، حتى يتمكنوا من دمج طبقة من الأجهزة ثنائية الأبعاد مع دوائر السيليكون الخاصة بهم.

يجلس رقاقة الاختبار المصنوعة من عملية cdimension أسفل المجهر.cdimension

قد يكون هذا الأخير أول دخول صناعي لأشباه الموصلات ثنائية الأبعاد. يقول تشو: “إننا نعرض الاحتمالات بمواد السيليكون زائد ثنائية الأبعاد”. “ولكن قد يتم استخدام المواد ثنائية الأبعاد للأجهزة المنطقية ذات النطاق العالي أيضًا. يمكن أن تكون هذه هي الخطوة التالية.”

أبلغ صانعو الرقائق مثل Intel و Samsung و TSMC عن أبحاث تهدف إلى استبدال أوراق السيليكون في الترانزستورات المستقبلية مع MOS₂ وغيرها من أشباه الموصلات ثنائية الأبعاد في اجتماع جهاز IEEE الدولي للإلكترون في ديسمبر 2024. في نفس المؤتمر ، أظهر تشو وزملاؤه من مختبرات معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا زميل IEEE Tomás Palacios و Jing Kong أن التوليف المنخفضة في درجات الحرارة يمكن أن ينتج عن موس.₂ الترانزستورات مع قنوات مكدسة متعددة ، أقرب إلى الترانزستورات النانوية. (Palacios هو مستشار استراتيجي لـ Cdimension)

يقول تشو إن الدافع الكبير للذهاب مع أشباه الموصلات ثنائية الأبعاد هو تقليل استهلاك الطاقة. تضيع الطاقة في الترانزستورات عندما تكون على (قوة ديناميكية) وعندما تكون خارج (قوة ثابتة). نظرًا لأن ما يزيد قليلاً عن 0.6 نانومتر ، فإن الترانزستورات ثنائية الأبعاد لها صفات يمكن أن تسمح لهم بالعمل باستخدام حوالي نصف جهد أجهزة السيليكون اليوم ، مما يوفر القوة الديناميكية. عندما يكونون متوقفين ، يكون تيار التسرب أكثر ما يدعو للقلق. لكن موس₂ يحتوي على فجوة النطاق التي تزيد قيمتها عن ضعف قيمة السيليكون ، مما يعني أن الأمر يتطلب المزيد من الطاقة للتسرب عبر الجهاز. يقول Zhu إن الأجهزة المصنوعة باستخدام مواد Cdimension تستهلك أقل من آلاف طاقة أجهزة السيليكون.

بالإضافة إلى MOS₂، وهو عبارة عن أشباه موصلات توصيل إلكترون (من النوع N) ، توفر أيضًا شركة Diselenide التنغستن ، وهو أشباه موصلات من نوع P ، بالإضافة إلى أفلام عازلة ثنائية الأبعاد ، مثل نيتريد البورون السداسي. ستكون هناك حاجة إلى المجموعة بأكملها إذا كانت أشباه الموصلات ثنائية الأبعاد ستتولى من أي وقت مضى في رقائق CMOS المستقبلية.