Эко-технология для 2D-полупроводников: новые схемы

Ученые представили революционный метод, позволяющий напрямую создавать структуры из двумерных (2D) полупроводниковых материалов без использования сложных процессов. Этот инновационный подход основан на экологически чистом растворителе, который объединяет 2D-полупроводники со сшивающим агентом для формирования точных и высокодетализированных схем.

Замена токсичных органических растворителей этим методом обещает ускорить коммерциализацию передовых низковольтных полупроводниковых устройств следующего поколения с высокой плотностью интеграции. Профессор БонСу Ким из Департамента химии UNIST совместно с профессорами Джухун Каном и Чонг Хо Чо из Университета Йонсей разработали и продемонстрировали этот экологичный процесс прямого формирования рисунка с использованием 2D-материалов, таких как дисульфид молибдена (MoS₂).

2D-материалы, отличающиеся слоистой структурой, напоминающей бумагу, являются перспективными кандидатами для создания сверхтонких высокопроизводительных полупроводниковых компонентов. Ожидается, что эти материалы позволят создавать чипы с большей плотностью интеграции и более низким энергопотреблением. Однако традиционные методы производства полупроводников, такие как осаждение и травление, часто включают высокотемпературные процессы и агрессивные химикаты, которые могут повредить эти чувствительные наноматериалы, препятствуя их практическому применению.

Метод исследовательской группы упрощает эту задачу, позволяя напрямую создавать схемы без высокотемпературной обработки или химического травления. Процесс включает диспергирование 2D-наноматериалов и специально разработанного сшивающего агента в экологически чистом растворителе на спиртовой основе. После нанесения рисунка на подложку, воздействие ультрафиолетового (УФ) излучения полимеризует сшивающий агент, закрепляя схему. Непрореагировавший сшивающий агент затем легко удаляется водой, оставляя чистую, четко определенную 2D-полупроводниковую схему.

Ключевым аспектом этой разработки было подбор подходящей комбинации растворителя и сшивающего агента. Благодаря детальному анализу с использованием параметров растворимости Хансена, команда выбрала изопропанол в качестве растворителя и модифицировала химическую структуру обычных сшивающих агентов на основе азидов, чтобы обеспечить совместимость и стабильную дисперсию 2D-материалов. Важно отметить, что азидные сшивающие агенты, обычно нерастворимые в спиртах, были спроектированы для растворимости в изопропаноле, что позволило эффективно осуществлять сшивание под действием УФ-излучения.

С использованием этой техники команда изготовила транзисторы на основе дисульфида молибдена (MoS₂), продемонстрировавшие подвижность носителей заряда 20,2 см²/В·с, напряжение порога 2,0 В и отношение на/выключение 2,7 миллиона. Массив из 49 транзисторов стабильно работал более 60 дней без снижения производительности. Кроме того, исследователям удалось создать на одном субстрате 2D-полупроводники p-типа и n-типа для формирования логических схем, включая элементы НЕ, NAND, NOR, а также статической памяти с произвольным доступом (SRAM), что демонстрирует потенциал метода для практической интеграции устройств.

Профессор Ким отметил: «Это исследование расширяет технологию УФ-сшивания, изначально применявшуюся в дисплеях на квантовых точках, на 2D-полупроводниковые материалы, что является значительным шагом к созданию экологически чистых и высокоточных методов формирования рисунка для чувствительных наноустройств. Мы считаем, что этот подход сыграет ключевую роль в разработке энергоэффективных и высокоскоростных полупроводниковых чипов следующего поколения».