Koreanisches Team entwickelt Methode zur Kontrolle des Kristallwachstums von 2D-Halbleitern – verspricht höhere Baueinheitskonsistenz

Forschende des Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) und des Start-ups TDS Innovation haben eine Methode entwickelt, um die Keimbildung beim Kristallwachstum von zweidimensionalen Halbleitern zu steuern. Damit lassen sich Einkristalle im Zentrum vorgegebener Bereiche erzeugen, was Gittergrenzen verringern und die Gleichmäßigkeit der Bauelemente verbessern soll. Die Studie wurde am 7. Oktober veröffentlicht.

Forschungsteam entwickelt neue Technologie zur Qualitätssteigerung von 2D-Halbleiterkristallen

Zidimensionale Materialien bestehen aus einer einzelnen oder wenigen Atomlagen. Zwar ist Graphen der prominenteste Vertreter, doch mangelt es ihm an einer inhärenten Bandlücke, weshalb er sich nicht für konventionelle Schalttransistoren eignet. Übergangsmetall-Dichalkogenide wie Molybdändisulfid (MoS₂) besitzen eine Bandlücke und gelten als Kandidaten für künftige Transistoren und Nano-Bauelemente. Beim Wachstum auf Wafern keimen diese Materialien jedoch meist an zufälligen Positionen. Die entstehenden Korngrenzen beim Aufeinandertreffen mehrerer Kristalle beeinträchtigen die elektrischen Eigenschaften und mindern die Gleichmäßigkeit der Bauelemente.

Das Team schlägt einen ätzflussvermittelten Einkern-Prozess vor. Dabei gibt eine Oxid-Barriere Sauerstoff ab, der einen lateralen Ätzfluss erzeugt. Dieser unterdrückt die Kristallkeimbildung an anderen Stellen des strukturierten Wachstumsbereichs, sodass nur das geometrische Zentrum als Wachstumsstartpunkt verbleibt. In Tests auf einem zwei Quadratzentimeter großen Substrat bildeten 397 von 400 strukturierten Positionen erfolgreich Einkristalle aus – eine Ausbeute von 99,3 %.

Mit dem Verfahren fertigten die Forschenden funktionsfähige Feldeffekttransistoren, deren Ladungsträgermobilität über der zuvor berichteter selektiv gewachsener MoS₂-Transistoren liegt. Zweidimensionale Halbleiter lassen sich zudem mit Silizium-Wafern stapeln, wodurch Logik- und Speichereinheiten näher zusammenrücken, und für vertikal gestapelte komplementäre Feldeffekttransistoren unterschiedlicher Typen nutzen. TDS Innovation plant, die Technologie rund um 2030 kommerziell anzuwenden; der konkrete Zeitpunkt der Massenproduktion hängt jedoch von weiteren Validierungen ab.