Materialen die de schaalbarrière van elektronica kunnen helpen doorbreken
Een stapje dichterbij kleinere, kosteneffectievere electronica gemaakt van 2D-materialen.
Promovendus Saravana Balaji Basuvalingam van de TU/e-faculteit Applied Physics heeft een nieuwe manier ontwikkeld om zogenaamde TMC-materialen met diverse materiaaleigenschappen te groeien op een gecontroleerde, effectieve manier. Dit een stap dichterbij electronica zonder silicium als basis.
De hoeveelheid data die de mensheid produceert groeit exponentieel, en daarmee ook de roep voor kleinere, snellere en goedkopere electronica om die data te verwerken. Om aan deze vraag te voldoen is de halfgeleiderindustrie steeds op zoek naar manieren om electronica onder de 3nm te maken. Dit is een belangrijke barrière voor de industrie, omdat het de grens benadert van wat er mogelijk is met silicium (Si), het meest veelgebruikte materiaal voor elektronische circuits. Daaronder presteren componenten op basis van silicium meestal niet goed.
Met bepaalde 2D-materialen, waarvan grafeen misschien wel het bekendst is, is het misschien mogelijk dit probleem op te lossen. Karakteristiek aan deze materialen is dat elke laag atomen vrij staat op de laag atomen eronder, zonder verbindingen tussen de lagen. Overgangsmateriaalchalcogeniden (TMC's, transition metal chalcogenides) zijn een groep 2D-materialen met uitstekende elektrische eigenschappen en een dikte van minder dan 1 nm, waardoor ze een vergelijkbare prestatie kunnen leveren als silicium en een grote schaalbaarheidspotentie hebben.
Van belofte naar materiaal
Een aantal synthesebeperkingen staat een kostenefficiënte implementatie van TMCs in de halfgeleiderindustrie in de weg. Het onderzoek van Basuvalingam had als doel de meeste van deze beperkingen weg te nemen, zoals het groeien van TMC's met groot genoeg oppervlak, bij lage temperatuur en met goede controle over materiaaleigenschappen. Hiervoor heeft hij een dunne-filmmethode gebruikt: atomic layer deposition (ALD). ALD is een van de prominente methoden in de halfgeleiderindustrie om kleinere componenten te maken, en de methode was al onderzocht om TMC’s met halfgeleidereigenschappen te maken.
Basuvalingam was de eerste die ALD ook gebruikt heeft om 2D-TMC's te laten groeien die zowel halfgeleider- als metaaleigenschappen hebben, en dan ook nog eens op groter oppervlak en bij lage temperatuur. Ook is hij de eerste die met een dunne-filmaanpak controle heeft verkregen over de materiaalcompositie van TMC's. Zijn aanpak maakte het mogelijk om TMC's te groeien in een wafer tot 200mm en de materiaaleigenschappen (tussen metallisch en halfgeleidend) te bepalen.
Met zijn werk breidt Basuvalingam de beschikbaarheid uit van materialen die met een dunne-filmmethode gegroeid kunnen worden. Dit brengt ons een stapje dichterbij kleinere, kosteneffectievere electronica gemaakt van 2D-materialen.
Titel van de dissertatie: Atomic Layer Deposition of Low-Dimensional Transition Metal Di- and Tri-Chalcogenides and their Heterostructures. Gefinancierd door: European Research Council (ERC). Eerste promoter: Ageeth A. Bol. Tweede promoter: Wilhelmus (Erwin) M. M. Kessels.