Halbleiter der nächsten Generation Epitaktisches Wachstum von neuen Van-der-Waals-Materialien

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Ein Forscherteam des Center for Van der Waals Quantum Solids am Institute for Basic Science stellt Prognosen zur Halbleitertechnologie der nächsten Generation in den Schatten. Es nutzt ein 1D-Metall mit einer Breite von nur 0,4 nm als Gate-Elektrode, um Einschränkungen des herkömmlichen Lithografieverfahrens zu überwinden.

Ein Forschungsteam unter Leitung von Direktor JO Moon-Ho hat eine bahnbrechende Methode für das epitaktische Wachstum von Metallstrukturen mit weniger als 1 nm Breite entwickelt. Diese ultradünnen 1D-Metalle dienen als Gate-Elektroden für neue, ultra-miniaturisierte Transistoren in 2D-Halbleiter-Logikschaltungen. Obwohl zweidimensionale Halbleiter mit exzellenten Eigenschaften vielversprechend sind, stellt die Herstellung solcher winzigen Transistoren, die Elektronenbewegungen auf atomarer Ebene steuern, eine große technische Herausforderung dar.

Gate-Elektrode zur Überwindung von Einschränkungen

Der Integrationsgrad von Halbleiterbauelementen wird durch die Breite und die Steuerungseffizienz der Gate-Elektrode bestimmt, die den Elektronenfluss im Transistor steuert. Bei den herkömmlichen Halbleiterherstellungsverfahren ist eine Verringerung der Gate-Länge unter einige Nanometer aufgrund der begrenzten Auflösung der Lithografie unmöglich.

Um dieses technische Problem zu lösen, nutzte das Forscherteam die Tatsache, dass die Spiegelzwillingsgrenze (mirror twin boundary – MTB) von Molybdändisulfid (MoS₂), einem 2D-Halbleiter, ein 1D-Metall mit einer Breite von nur 0,4 nm ist. Es wurde als Gate-Elektrode verwendet, um die Einschränkungen des Lithografieverfahrens zu überwinden.

In dieser Studie wurde die metallische 1D-MTB-Phase durch die Kontrolle der Kristallstruktur des vorhandenen 2D-Halbleiters auf atomarer Ebene erreicht, wodurch dieser in ein 1D-MTB umgewandelt wurde.

Dies stellt nicht nur einen bedeutenden Durchbruch für die Halbleitertechnologie der nächsten Generation dar, sondern auch für die grundlegenden Materialwissenschaften, da es die großflächige Synthese neuer Materialphasen durch die künstliche Kontrolle der Kristallstrukturen demonstriert.

Prognosen der Kanalbreite unterboten

Die International Roadmap for Devices and Systems (IRDS) des IEEE sagt voraus, dass die Halbleiter-Node-Technologie bis 2037 etwa 0,5 nm erreichen wird, mit Transistor-Gate-Längen von 12 nm. Das Forschungsteam hat gezeigt, dass die Kanalbreite, die durch das vom 1D-MTB-Gate angelegte elektrische Feld moduliert wird, bis zu 3,9 nm betragen kann, was die Prognose deutlich in den Schatten stellt.

Der vom Forschungsteam entwickelte 1D-MTB-basierte Transistor bietet auch Vorteile bei der Schaltungsperformanz. Technologien wie FinFET oder Gate-All-Around, die für die Miniaturisierung von Silizium-Halbleiterbauelementen eingesetzt werden, leiden aufgrund ihrer komplexen Bauelementstrukturen unter parasitären Kapazitäten, was zu Instabilitäten in hochintegrierten Schaltungen führt.

Im Gegensatz dazu kann der 1D-MTB-basierte Transistor aufgrund seiner einfachen Struktur und extrem schmalen Gate-Breite die parasitäre Kapazität minimieren. Direktor JO Moon-Ho kommentierte: „Die 1D-Metallphase, die durch epitaktisches Wachstum erreicht wird, ist ein neuer Materialprozess, der für ultra-miniaturisierte Halbleiterprozesse eingesetzt werden kann. Es wird erwartet, dass es in Zukunft eine Schlüsseltechnologie für die Entwicklung verschiedener elektronischer Geräte mit geringem Stromverbrauch und hoher Leistung sein wird.“ Der entsprechende Forschungsbericht wurde in der Zeitschrift 'Nature Nanotechnology' veröffentlicht. (sb)

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