ทีมวิจัยเกาหลีพัฒนาวิธีการเจริญเติบโตของผลึกครึ่งตัวนำที่มีอัตราความสำเร็จ 99%

นักวิจัยเกาหลีใต้ได้พัฒนาวิธีการผลิตครึ่งตัวนำที่สามารถควบคุมการสร้างผลึกเดี่ยวในพื้นที่เจริญเติบโตที่มีรูปแบบ 400 จุดได้ด้วยอัตราความสำเร็จเกิน 99% เทคโนโลยีนี้มีศักยภาพช่วยให้ผู้ผลิตสร้างชิปคำนวณแบบแนวตั้งซ้อนกันได้ วิธีนี้ช่วยให้นักวิจัยสามารถเจริญเติบโตผลึกโมลิบดีนไดซัลไฟด์ (MoS₂) เดี่ยวที่ตำแหน่งที่กำหนดไว้ล่วงหน้าได้ ซึ่งครึ่งตัวนำชนิดนี้มีความหนาเพียงไม่กี่ชั้นอะตอม แทนที่จะปล่อยให้หลายผลึกเกิดขึ้นแบบสุ่ม ทีมงานนำโดยสถาบันวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีเกาหลี (KAIST) ร่วมกับ UNIST มหาวิทยาลัยฮันยาง และ TDS Innovation ได้พัฒนาวิธีนี้ โดยใช้ออกซิเจนที่ปล่อยมาจากชั้นบังคับออกไซด์เพื่อควบคุมตำแหน่งเริ่มต้นของการเจริญเติบโตของผลึก

การแก้ไขอุปสรรคของชิปซ้อนกัน

นักวิจัยระบุว่าวิธีนี้สามารถแก้ไขอุปสรรคหลักหนึ่งในการผลิตชิปซ้อนกันได้ คือ ชั้นครึ่งตัวนำต้องเกิดขึ้นอย่างแม่นยำเหนือวงจรที่มีอยู่แล้ว เพื่อหลีกเลี่ยงการนำเข้าความผิดปกติที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพ

ออกซิเจนควบคุมการสร้างผลึก วิธีการเจริญเติบโตครึ่งตัวนำแบบดั้งเดิมสามารถกำหนดพื้นที่โดยประมาณที่ฟิล์มจะเกิดขึ้นได้ แต่การควบคุมจุดเริ่มต้นที่แน่นอนของแต่ละผลึกยังคงยากอยู่ เมื่อผลึกหลายตัวเจริญเติบโตแยกกันและพบกัน จะเกิดขอบเขตเม็ดผลึก (grain boundaries) ขอบเขตเหล่านี้จะรบกวนการจัดเรียงอะตอมที่เป็นระเบียบ และอาจขัดจังหวะการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในครึ่งตัวนำ นักวิจัยได้พัฒนากระบวนการที่เรียกว่าการเจริญแกนกลางเดี่ยวที่ได้รับการ توسطฟลักซ์การกัดกร่อน (Etch-Flux-Mediated Single-Center Nucleation: EF-SCN) การเจริญแกน (Nucleation) เป็นขั้นตอนเริ่มต้นของการสร้างผลึก ซึ่งอะตอมเริ่มจัดเรียงตัวเป็นโครงสร้างที่มีระเบียบ กระบวนการนี้ใช้ชั้นบังคับออกไซด์ เช่น ไฮฟเนียมออกไซด์ (HfO₂) ล้อมรอบพื้นที่เจริญเติบโตที่กำหนด

ออกซิเจนที่ปล่อยมาจากชั้นบังคับทำหน้าที่เป็นสารกัดกร่อน ยับยั้งการสร้างผลึกที่ไม่จำเป็น ผลของออกซิเจนแรงที่สุดที่ขอบของพื้นที่รูปแบบ และอ่อนลงไปเรื่อยๆ ตรงกลาง สิ่งนี้สร้างเงื่อนไขที่เอื้อต่อการสร้างผลึกที่จุดกลางเพียงจุดเดียว เมื่อการเจริญเติบโตเริ่มต้นที่จุดนั้น กระบวนการนี้ก็จะยับยั้งการเกิดผลึกเพิ่มเติมในบริเวณใกล้เคียง

อนาคตของครึ่งตัวนำมิติสอง

ด้วยวิธีนี้ นักวิจัยสามารถเจริญเติบโตผลึก MoS₂ เดี่ยวที่ตำแหน่งกลางที่กำหนดไว้ในรูปแบบทั้ง 400 จุดได้สำเร็จเกิน 99% ทีมงานยังได้สาธิตการสะสมโลหะแบบเลือกเฉพาะโดยใช้โครงสร้างที่รวมโมลิบดีนไดซัลไฟด์และโมลิบดีนไดเซเลไนด์ (MoSe₂) ในโครงสร้างเหล่านี้ ฟิล์มโลหะแพลทินัมบางๆ จะเกิดขึ้นแบบเลือกเฉพาะบนพื้นที่ MoSe₂ แสดงให้เห็นอีกวิธีหนึ่งในการควบคุมการวางวัสดุในกระบวนการผลิตครึ่งตัวนำ

ชิปซ้อนกันกำลังใกล้ชิดขึ้น เนื่องจากครึ่งตัวนำมิติสองยังคงรักษาคุณสมบัติครึ่งตัวนำไว้ได้แม้จะมีความหนาเพียงไม่กี่ชั้นอะตอม จึงถูกศึกษาเป็นวัสดุสำหรับชิปอนาคต ความบางน้อยนี้อาจทำให้ผู้ผลิตสามารถซ้อนองค์ประกอบคำนวณและหน่วยความจำแบบแนวตั้งได้ ลดระยะทางการส่งข้อมูลระหว่างกัน การเคลื่อนย้ายข้อมูลภายในชิปใช้พลังงานและก่อให้เกิดความล่าช้าในการประมวลผล การวางองค์ประกอบให้อยู่ใกล้กันมากขึ้นสามารถลดต้นทุนเหล่านี้ได้ โดยเฉพาะในระบบที่จัดการภาระงานคำนวณขนาดใหญ่ อย่างไรก็ตาม การผลิตชิปแบบนี้ต้องการการควบคุมที่แม่นยำต่อการเจริญเติบโตของครึ่งตัวนำบนผิวที่มีวงจรที่ผลิตไว้ก่อนหน้านี้

เทคโนโลยีของ KAIST นำเสนอวิธีที่เป็นไปได้ในการเจริญเติบโตวัสดุมิติสองคุณภาพสูงโดยตรงที่ตำแหน่งที่กำหนด ทำให้ไม่ต้องผลิตแยกต่างหากแล้วนำไปถ่ายโอนบนชิป

นักวิจัยได้ตรวจสอบกลไกดังกล่าวผ่านการทดลองเจริญเติบโตและการจำลอง แต่ยังไม่ได้สาธิตโปรเซสเซอร์ซ้อนกันสมบูรณ์หรือวัดการปรับปรุงความเร็วคำนวณหรือการบริโภคพลังงาน งานวิจัยนี้ยืนยันการควบคุมการเจริญแกนของผลึก ไม่ใช่ประสิทธิภาพชิปเชิงพาณิชย์ จำเป็นต้องมีการพัฒนาต่อไปเพื่อกำหนดว่าวิธีนี้สามารถบูรณาการในการผลิตครึ่งตัวนำขนาดใหญ่ได้หรือไม่ งานวิจัยนี้ตีพิมพ์ในวารสาร Nature เมื่อวันที่ 8 ตุลาคม

ผลกระทบที่เป็นไปได้ของเทคโนโลยีใหม่ต่อการผลิตครึ่งตัวนำ

การพัฒนาเทคโนโลยีนี้มีความสำคัญอย่างมากต่ออุตสาหกรรมครึ่งตัวนำ เนื่องจากมันสามารถแก้ไขปัญหาการควบคุมความแม่นยำในการผลิตชิปซ้อนกันได้อย่างมีประสิทธิภาพ พร้อมกับการก้าวหน้าของวัสดุครึ่งตัวนำมิติสอง เทคโนโลยีนี้ไม่เพียงแต่เพิ่มประสิทธิภาพการผลิต แต่ยังส่งเสริมการสร้างองค์ประกอบคำนวณที่มีขนาดเล็กลงและมีประสิทธิภาพสูงขึ้น ซึ่งมีความสำคัญต่อความต้องการคำนวณที่เพิ่มขึ้นและการลดการใช้พลังงานในอนาคต อย่างไรก็ตาม การประยุกต์ใช้เชิงพาณิชย์ของเทคโนโลยีนี้ยังต้องการการตรวจสอบและปรับปรุงเพิ่มเติม ซึ่งจะเป็นตัวกำหนดคุณค่าจริงของมันในตลาด