Intel ve TSMC gibi silikon çip üreticileri, sürekli olarak daha küçük özelliklere sahip çipler üretmek için kendilerini aşmakta, ancak silikonun fiziksel sınırlarına yaklaşıyorlar. Massachusetts Institute of Technology’nin Elektronik Araştırma Laboratuvarı’nda çalışan bir bilim insanı olan Ki Seok Kim, “Silikon tabanlı mimarilerde zaten çok yüksek bir yoğunluğa sahibiz ve burada silikon performansı keskin bir şekilde düşüyor” dedi.
Bu sorunun bir yolu, silikonun yerini, tek atom ölçeğinde bile yarı iletken özelliklerini koruyan grafen benzeri 2D malzemelerle değiştirmektir. Bir diğeri ise, daha fazla transistörü aynı alana sıkıştıran ve transistörleri daha küçük hale getirmeyen 3D çipler üretmektir. Kim’in ekibi, her ikisini de yaptı ve dikey olarak yığılmış 2D yarı iletkenlerden oluşan 3D bir çip inşa etti.
Tek atom kalınlığında bir karbon tabakası olan grafen muhtemelen en ünlü 2D malzemedir, ancak yarı iletken değildir. Bununla birlikte, molibden disülfür veya tungsten diselenyum gibi iyi yarı iletken olan 2D malzemeler vardır. Kim, “Bir nanometrenin altında bile çok kararlı elektriksel performans sunarlar” dedi. Hem molibden disülfür hem de tungsten diselenyum, geçiş metali dikalkojenidler (TMD’ler) adı verilen bir gruba aittir.
Bu malzemeler genellikle, buharlaştırılmış malzemelerin bir substrat üzerine püskürtülmesi ve yüzeyinde tek atom kalınlığında kristal yapılar oluşturmasıyla gerçekleşen kimyasal buhar biriktirme adı verilen bir işlemle yetiştirilir. İyi performans gösteren transistörler yapmak için, bu TMD’lerin 900°C’ye ulaşan sıcaklıklarda biriktirilmesi gerekiyordu. Bu, yalnızca bir transistör katmanı istiyorsanız sorun değildi, ancak normal silikon üretim teknikleriyle uyumlu değildi. Çip üretim süreci, yuvarlak bir silikon gofretle başlar. Transistörler bu gofretler üzerine doğrudan imal edilir ve çip üretim sürecinin bir parçası olan hat başı adı verilen kısımda bir çipin alt katmanını oluşturur. Daha sonra, ilk metal kablolama veya ara bağlantı katmanı, transistör katmanının üzerine eklenir; buna hat sonu denir. 3D yığılmış bir çip oluşturmak için hat sonunun üzerine bir TMD transistör katmanı eklemek istiyorsanız, tüm şeyi 900°C’ye ısıtmanız gerekir, bu da temelde devreyi kızartır. 3D çipler oluşturmayı araştıran araştırmacılar, bu devre kızartma sorununa çeşitli çözümler önerdi, ancak hiçbiri özellikle iyi çalışmadı.
En popüler yaklaşım, üst gofreti alt gofretle bağlamak için mikroskobik delikler açılmış ayrı silikon gofretler üzerine transistör katmanları üretmek için kullanılan silikon-içi-via (TSV) adı verilen bir süreçti. Ancak süreç çok pahalıydı ve nanometre ölçeğindeki cihazları bağlamak için gofretleri yeterince dikkatli hizalamak bir meydan okumaydı. Alternatif olarak, ayrı bir gofret üzerinde yetiştirilen transistörleri transfer etmekti, bu da delik delme sorununu çözdü ancak hizalama sorununu bıraktı.
Bilim adamları ayrıca, metal devreler için güvenli kabul edilen 400°C’nin altında sıcaklıklarda TMD’lerin kimyasal buhar biriktirme işlemini yapmaya çalıştılar. Ancak bu düşük sıcaklıklarda, TMD’ler, elektriksel performanslarını önemli ölçüde düşüren tek kristal yapılar yerine polikristalli malzemeler oluşturdu.
Kim, “Hedef, TMD tek kristal transistörlerini, hat sonunun üzerine doğrudan 400°C’nin altında sıcaklıklarda biriktirmekti” dedi. “Tam da bunu başardık.”
Nanoscale metalurji
Kim’in ekibi tarafından önerilen çözüm, metalurjiden esinlenmiştir. Erimiş bir metal kalıba döküldüğünde, yavaş yavaş çekirdekler adı verilen katı malzeme taneleri oluşturur ve bunlar daha sonra katı forma sertleşen düzenli kristal desenleri oluşturmak için birleşir. Kim ve meslektaşları, bu nükleasyon sürecinin genellikle kalıbın kenarlarında başladığını fark ettiler. Kim, “Kenarlarda nükleerleşmek daha az enerji ve ısı gerektirir” dedi. Bu nedenle araştırmacılar bu konsepti ödünç aldılar ve tek kristal TMD transistörleri oluşturmak için kullandılar.
