فريق بحثي كوري يطور تقنية نمو بلورات أشباه الموصلات بنسبة نجاح 99%

طور باحثون كوريون جنوبيون تقنية لتصنيع أشباه الموصلات قادرة على التحكم في تشكيل بلورات فردية بنسبة نجاح تتجاوز 99% في 400 منطقة نمو بنمطية، ومن المتوقع أن تساعد هذه التقنية المصنعين على بناء رقائق حوسبة مكدسة رأسياً. تتيح هذه التقنية للباحثين نمو بلورات أحادية من ثنائي كبريتيد الموليبدينوم (MoS₂) في مواقع محددة مسبقاً، حيث لا يتجاوز سمك هذا شبه الموصل بضع طبقات ذرية، بدلاً من السماح بتشكل بلورات متعددة عشوائياً. وقد طور فريق بقيادة المعهد الكوري المتقدم للعلوم والتقنية (KAIST)، بالتعاون مع UNIST وجامعة هانيانغ و TDS Innovation، هذه الطريقة التي تستخدم الأكسجين المنطلق من حواجز أكسيدية للتحكم في موقع بدء نمو البلورات.

حل عقبات الرقائق المكدسة

أشار الباحثون إلى أن هذه الطريقة يمكنها حل عقبة رئيسية في تصنيع الرقائق المكدسة، تتمثل في ضرورة تشكيل طبقات أشباه الموصلات بدقة فوق الدوائر الموجودة لتجنب إدخال عيوب تؤثر على الأداء.

يتحكم الأكسجين في تشكيل البلورات. يمكن لطرق نمو أشباه الموصلات التقليدية تحديد المنطقة التقريبية لتشكل الفيلم الرقيق، لكن التحكم في نقطة البداية الدقيقة لكل بلورة يظل صعباً. عندما تنمو عدة بلورات بشكل مستقل وتتلاقى، فإنها تشكل حدود حبيبية. تضطرب هذه الحدود الترتيب المنتظم للذرات وقد تعيق حركة الإلكترونات في شبه الموصل. طور الباحثون عملية تُعرف باسم النمو النووي أحادي المركز بوساطة تدفق الحفر (EF-SCN). النمو النووي هو المرحلة الأولية لتشكل البلورة، حيث تبدأ الذرات في الترتيب في بنية منظمة. تستخدم هذه العملية حاجزاً أكسيداً، مثل أكسيد الهافنيوم (HfO₂)، يحيط بمنطقة النمو المحددة.

يعمل الأكسجين المنطلق من الحاجز كعامل حفر، مما يكبح تشكل البلورات غير المرغوب فيها. يكون تأثير الأكسجين أقوى عند حواف المنطقة بنمطية ويضعف تدريجياً نحو المركز. يخلق هذا ظروفاً مواتية لتشكل بلورة في نقطة مركزية واحدة. وبمجرد بدء النمو هناك، تكبح العملية أيضاً تشكل بلورات إضافية في الجوار.

مستقبل أشباه الموصلات ثنائية الأبعاد

باستخدام هذه الطريقة، نجح الباحثون في نمو بلورات MoS₂ أحادية في المواقع المركزية المحددة في أكثر من 99% من 400 منطقة بنمطية. وعرض الفريق أيضاً ترسيباً معدنياً انتقائياً باستخدام هياكل تجمع بين ثنائي كبريتيد الموليبدينوم وثنائي سيلينيد الموليبدينوم (MoSe₂). في هذه الهياكل، تشكل فيلم رقيق من معدن البلاتين بشكل انتقائي فوق مناطق MoSe₂، مما يظهر طريقة أخرى للتحكم في وضع المواد أثناء عملية تصنيع أشباه الموصلات.

تقترب الرقائق المكدسة تدريجياً من الواقع. ونظراً لأن أشباه الموصلات ثنائية الأبعاد تحتفظ بخصائصها شبه الموصلة حتى بسمك لا يتجاوز بضع طبقات ذرية، فإنها تُدرس كمواد للرقائق المستقبلية. قد يتيح سمكها الضئيل للمصنعين تكديس عناصر الحوسبة والذاكرة رأسياً، مما يقلل المسافة التي تقطعها البيانات بينها. يستهلك نقل البيانات داخل الشريحة طاقة ويسبب تأخيراً في المعالجة، وتقريب العناصر من بعضها يخفض هذه التكاليف، لا سيما في الأنظمة التي تتعامل مع أعباء عمل حسابية ضخمة. غير أن إنتاج مثل هذه الرقائق يتطلب تحكمًا دقيقاً في نمو أشباه الموصلات على أسطح تحتوي على دوائر مصنعة مسبقاً.

توفر تقنية KAIST طريقة محتملة لنمو مواد ثنائية الأبعاد عالية الجودة مباشرة في المواقع المحددة، مما يغني عن الحاجة إلى تصنيعها بشكل منفصل ثم نقلها إلى الشريحة.

فحص الباحثون الآلية من خلال تجارب نمو ومحاكاة، لكنهم لم يعرضوا بعد معالجاً مكدساً كاملاً أو يقيسوا تحسينات في سرعة الحوسبة أو استهلاك الطاقة. أثبتت الدراسة التحكم في النمو النووي للبلورات، لا أداء الرقائق التجارية. وهناك حاجة إلى مزيد من التطوير لتحديد ما إذا كان يمكن دمج هذه الطريقة على نطاق واسع في تصنيع أشباه الموصلات. ونُشر البحث في 8 أكتوبر في دورية Nature.

التأثير المحتمل للتقنية الجديدة على تصنيع أشباه الموصلات

يحمل تطوير هذه التقنية أهمية كبيرة لصناعة أشباه الموصلات، لأنها تحل بفعالية مشكلة التحكم الدقيق في تصنيع الرقائق المكدسة. مع صعود مواد أشباه الموصلات ثنائية الأبعاد، لا تستطيع هذه التقنية تعزيز كفاءة الإنتاج فحسب، بل يمكنها أيضاً تعزيز ظهور عناصر حوسبة أكثر صغراً وأعلى أداءً. وهذا أمر بالغ الأهمية لتلبية الطلب المتزايد على الحوسبة في المستقبل وتقليل استهلاك الطاقة. ومع ذلك، لا يزال التطبيق التجاري للتقنية يتطلب مزيداً من التحقق والتحسين، وهو ما سيحدد قيمتها الفعلية في السوق.