中国、2D半導体ウェーハ技術で大きな飛躍を達成

Jul 21, 2023

ポニーワン/iStock

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中国の科学者が半導体の世界で大きな進歩を遂げたと、サウスチャイナ・モーニング・ポスト（SCMP）が報じた。 わずか原子1個の厚さ（したがって「2D」と呼ばれる）の新しい12長（30.5cm）のウェーハは、安価で半導体業界に革命を起こす可能性があると開発者らは主張する。 それらを使用可能なマイクロチップに変えるにはさらなる作業が必要ですが、新しいウェーハは従来のシリコンチップを補完し、さらには挑戦する可能性があります。

新しい 2D 材料はその薄さにより、優れた半導体特性を示します。 しかし、科学者チームは、ウェーハのサイズを拡大して大量に生産するという点で課題に直面しました。 「私たちはこれが科学的に実現可能であることを業界に証明し、自信を与えました。 将来的に産業上の需要があれば、この分野の進歩は飛躍的に進むだろう」と研究責任者である北京大学のLiu Kaihui教授は独占インタビューでSCMPに語った。

Science Bulletin に掲載された研究で報告されているように、新しいウェーハは既存のシリコン チップに比べていくつかの重要な改善を提供します。 「シリコントランジスタが薄くなると、（電圧制御が）悪くなります。 デバイスが動作していないときでも電流は存在します。 これにより、余分なエネルギーコストと発熱が発生します」と Liu 氏は説明しました。

新しい 2D 材料は、1 つまたは複数の原子層を持つ結晶固体で構成されます。 自然な原子レベルの厚さにより、ウェーハは独特の物理的特性を備えており、高性能電子デバイスに応用できる可能性があります。 「厚さ約1ナノメートルのMoS2（典型的な2D材料）の単層で作られたトランジスタは、同じ厚さのシリコンで作られたトランジスタよりも何倍も優れた性能を発揮します」とLiu氏は付け加えた。

「一部の 2D 材料は、1nm 以下の集積回路にとって必須の材料システムと考えられています。 また、集積回路内のトランジスタの数が約 2 年ごとに 2 倍になるムーアの法則を継続、あるいはそれを超えて実現できると業界でも認識されています」と同氏は述べた。

しかし、これまで科学者たちは、2D 材料が各層に別々に存在できるにもかかわらず、高い均一性とデバイス性能を備えた 2D 材料ウェーハを製造するのに苦労してきました。 新しいウェーハは、グラフェンや二硫化モリブデン、二硫化タングステン、二セレン化モリブデン、二セレン化タングステンなどの遷移金属ダイカルコゲニド（TMD）などの材料を含めて、層ごとに積層できます。

「私たちは、均一な成長を保証する表面対表面の供給方法を利用した新しいアプローチを開発しました。」 論文の筆頭著者である候補者シュエ・グオドン氏は語った。 「MoS2 ウェハーの製造中、溶液に分散した溶融塩 (Na2MoO4) と協働するカルコゲナイド結晶プレート (ZnS) が元素源として使用されます」と Guodong 氏は付け加えました。

「私たちの松山湖材料研究所のエンジニアリングチームは、この方法に基づいて装置を設計しました。 [私たちの] 設備は現在、1 台あたり年間 10,000 枚の 2D ウェーハを生産できるようになりました」と Liu 氏は述べています。

この研究は、Science Bulletin 誌でご自身でご覧いただけます。

研究概要:

二次元 (2D) 遷移金属ジカルコゲナイド (TMD) は、原子スケールの厚さ、高いキャリア移動度、および超高速電荷移動により、次世代デバイスの極めて重要な半導体候補とみなされています。 従来の半導体産業と同様に、ウエハスケールの TMD のバッチ生産は、集積回路の進化を進めるための前提条件です。 ただし、TMD ウェーハの生産能力は、成長中の複数の前駆体の効果的な大量輸送に必要な厳しい条件により、通常、バッチあたり 1 つの小さなピース (主に 2 ～ 4 インチの範囲) に制限されます。 今回我々は、ウェーハスケールTMDのバッチ生産のためのモジュール化された成長戦略を開発し、2インチウェーハ（バッチあたり15枚）から、記録的なサイズの12インチウェーハ（バッチあたり3枚）までの製造を可能にした。 各モジュールは、堅牢な個別のTMDウェーハ成長のための自給自足的なローカル前駆体供給ユニットを構成し、他のモジュールと垂直に積み重ねられて統合アレイを形成し、したがってバッチ成長が行われます。 光学分光法、電子顕微鏡法、輸送測定などの包括的な特性評価技術により、調製されたままの単層膜の高い結晶性と大面積均一性が明確に示されます。 さらに、これらのモジュール化ユニットは、製造されたままのウェーハスケール MoS2 を、MoSSe のヤヌス構造、MoS2(1−x)Se2x の合金化合物、MoS2-MoSe2 の面内ヘテロ構造など、さまざまな構造に変換できるため、多用途性を示します。 。 この方法論は、高品質かつ高歩留まりのウェーハ出力を示し、シリコン技術を補完する研究室規模から産業規模の 2D 半導体へのシームレスな移行を可能にする可能性があります。