Co może zastąpić krzem w elektronice?

Krzem od dekad napędza rozwój elektroniki, jednak jego możliwości nie są nieograniczone. Dr inż. Jakub Sitek z Centrum Zaawansowanych Materiałów i Technologii CEZAMAT pokieruje projektem, w którym naukowcy będą pracować nad rozwiązaniem mogącym wesprzeć rozwój elektroniki nowej generacji.

Współczesna elektronika opiera się niemal wyłącznie na krzemie. Od kilkudziesięciu lat udawało się zmniejszać elementy elektroniczne (takie jak tranzystory), dzięki czemu komputery i smartfony były coraz szybsze i bardziej energooszczędne. Dziś zbliżamy się jednak do fizycznych granic krzemu – dalsze zmniejszanie elementów prowadzi do spadku efektywności pracy elektroniki lub całkowitego zaprzestania funkcjonowania oraz gwałtownego wzrostu zużycia energii. Szczególnie mocno widać to w obliczu rozwoju sztucznej inteligencji, która wymaga ogromnej mocy obliczeniowej.

Jednym z najbardziej obiecujących kierunków zastąpienia krzemu jest elektronika oparta na materiałach dwuwymiarowych (2D), zbudowanych z jednej lub kilku warstw atomów. Do tej rodziny należą półprzewodniki takie jak dwusiarczek molibdenu (MoS₂) i dwuselenek wolframu (WSe₂). W odróżnieniu od słynnego grafenu posiadają one przerwę energetyczną, dzięki czemu mogą działać jak „ultracienki krzem” – idealne części operacyjne tranzystorów o grubości jednego atomu.

Aby z takich materiałów zbudować prawdziwe układy scalone, trzeba nauczyć się je trwale domieszkować, czyli wprowadzać kontrolowaną liczbę „obcych” atomów zmieniających przewodnictwo z typu n (nadmiar elektronów) na typ p (nadmiar dziur). W krzemie jest to praktykowane od dziesięcioleci, ale w materiałach 2D wciąż jest to jedno z największych wyzwań. Dotychczasowe próby albo nie są trwałe, albo działają tylko na małych płatkach otrzymanych przez złuszczanie kryształów.

Celem projektu „SCALED – Skalowalna, kontrolowalna i atomowo płaska epitaksja domieszkowanych półprzewodników 2D dla elektroniki postkrzemowej" jest opracowanie skalowalnej, powtarzalnej i technologicznie użytecznej metody domieszkowania monowarstw MoS₂ i WSe₂ bezpośrednio podczas wzrostu w przemysłowym reaktorze MOCVD (ang. metal-organic chemical vapour deposition). W projekcie zostaną użyte dwie starannie dobrane domieszki: ren (Re) do uzyskania przewodnictwa n-typu w MoS₂ oraz niob (Nb) do uzyskania p-typu w WSe₂. Oba pierwiastki są wskazywane przez obliczenia kwantowe i wcześniejsze eksperymenty jako najbardziej obiecujący wybór – ich atomy łatwo zastępują atomy metalu w sieci krystalicznej, nie niszcząc jakości materiału.

„Elektronika bez domieszek nie istnieje. W tym projekcie wraz z zespołem będziemy pracować nad efektywnym wprowadzaniem obcych atomów do materiałów o grubości jednego atomu, tak aby udało się kontrolować ich właściwości elektryczne. Projekt jest bardzo ambitny, bo nie tylko zakłada wprowadzenie tych domieszek, ale także skalowanie metody dla potrzeb przemysłu. Jeśli nam się uda, w co wierzę, to może to zrewolucjonizować elektronikę konsumencką w najbliższych latach" – mówi dr inż. Jakub Wojciech Sitek.

Badania będą obejmować trzy główne etapy. Po pierwsze, optymalizację wzrostu wysokiej jakości, niedomieszkowanych monowarstw MoS₂ i WSe₂ na podłożach szafirowych. Po drugie, systematyczne badanie wpływu parametrów procesu (temperatura, ciśnienie, przepływy prekursorów) na stężenie i rozmieszczenie domieszek Re i Nb z wykorzystaniem szeregu technik: spektroskopii Ramana i fotoluminescencji, mikroskopii elektronowej oraz elektrycznych pomiarów Halla. Po trzecie, wytwarzanie tranzystorów polowych (FET, field-effect transistors) bezpośrednio na otrzymanych warstwach i korelację parametrów elektrycznych (ruchliwość, koncentracja nośników, opór kontaktów, współczynnik włączenia/wyłączenia) z warunkami wzrostu i poziomem domieszkowania.

Rezultatem projektu będzie „mapa projektowa” domieszkowania MoS₂:Re i WSe₂:Nb – zestaw zależności łączących parametry procesu MOCVD z właściwościami strukturalnymi i elektrycznymi oraz z działaniem rzeczywistych tranzystorów. Na końcowym etapie metoda zostanie przeskalowana z małych próbek o wymiarach 1 × 1 cm do pełnych, 2-calowych płytek szafirowych, co zbliży ją do standardów przemysłu półprzewodnikowego.

Opracowanie stabilnego, powtarzalnego domieszkowania półprzewodników 2D jest jednym z brakujących elementów na drodze do układów elektronicznych „po erze krzemu”. Wyniki projektu mogą w przyszłości przełożyć się na energooszczędne układy do sztucznej inteligencji, w tym architektury neuromorficzne, czujniki czy fotodetektory, a także wzmocnić pozycję polskich ośrodków w światowym wyścigu w dziedzinie elektroniki 2D. 

Projekt „SCALED - Skalowalna, kontrolowalna i atomowo płaska epitaksja domieszkowanych półprzewodników 2D dla elektroniki postkrzemowej” uzyskał dofinansowanie w ramach konkursu SONATA 21.