Ein kleiner Sprung nach vorne: Der weltweit erste funktionsfähige 2D-Mikrochip

May 30, 2023

Von der King Abdullah University of Science & Technology (KAUST), 4. Juni 2023

KAUST-Professor Mario Lanza und seine Co-Forscher haben erfolgreich den weltweit ersten 2D-Mikrochip aus synthetischen Materialien entworfen. Trotz der Herausforderungen bei der Herstellung gelang es dem Team, einen Chip zu entwickeln, der als hochleistungsfähiges neuronales Netzwerkelement mit geringem Stromverbrauch fungiert und so Türen für die Weiterentwicklung der Mikrochip-Technologie öffnet. Bildnachweis: © 2023 KAUST; Mario Lanza

Die erste Demonstration eines funktionsfähigen Mikrochips, der atomar dünne zweidimensionale Materialien mit exotischen Eigenschaften integriert, läutet eine neue Ära der Mikroelektronik ein.

Bei KAUST wurde der weltweit erste vollständig integrierte und funktionsfähige Mikrochip auf Basis exotischer zweidimensionaler Materialien hergestellt. Der Durchbruch zeigt das Potenzial von 2D-Materialien zur Erweiterung der Funktionalität und Leistung mikrochipbasierter Technologien.

Since the first fabrication of atomically thin layers of graphite — called grapheneGraphene is an allotrope of carbon in the form of a single layer of atoms in a two-dimensional hexagonal lattice in which one atom forms each vertex. It is the basic structural element of other allotropes of carbon, including graphite, charcoal, carbon nanotubes, and fullerenes. In proportion to its thickness, it is about 100 times stronger than the strongest steel." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Graphen – im Jahr 2004 gab es aufgrund ihrer exotischen und vielversprechenden physikalischen Eigenschaften ein starkes Interesse an solchen Materialien für fortschrittliche und neuartige Anwendungen. Doch trotz zwei Jahrzehnten Forschung erwiesen sich funktionsfähige Mikrogeräte auf Basis dieser 2D-Materialien aufgrund der Herausforderungen bei der Herstellung und Handhabung solch fragiler dünner Filme als schwierig.

Inspiriert durch die jüngsten Erfolge in Lanzas Labor bei funktionalen 2D-Filmen hat die von KAUST geleitete Zusammenarbeit nun einen Prototyp eines 2D-basierten Mikrochips hergestellt und demonstriert.

„Unsere Motivation bestand darin, den Technologiereifegrad von auf 2D-Material basierenden elektronischen Geräten und Schaltkreisen zu erhöhen, indem wir herkömmliche CMOS-Mikroschaltkreise auf Siliziumbasis als Basis und Standardtechniken zur Halbleiterherstellung verwendeten“, sagt Lanza. „Die Herausforderung besteht jedoch darin, dass synthetische 2D-Materialien lokale Defekte wie atomare Verunreinigungen enthalten können, die zum Ausfall kleiner Geräte führen können. Außerdem ist es sehr schwierig, das 2D-Material in den Mikrochip zu integrieren, ohne ihn zu beschädigen.“

Das Forschungsteam optimierte das Design des Chips, um die Herstellung zu erleichtern und die Auswirkungen von Defekten zu minimieren. Dies erreichten sie, indem sie auf einer Seite des Chips Standard-CMOS-Transistoren (Complementary Metal Oxide Semiconductor) herstellten und die Verbindungen bis zur Unterseite durchführten, wo das 2D-Material zuverlässig in kleine Pads mit einem Durchmesser von weniger als 0,25 Mikrometern übertragen werden konnte.

„Wir haben das 2D-Material – hexagonales Bornitrid oder h-BN, auf Kupferfolie – hergestellt und es mithilfe eines Niedertemperatur-Nassverfahrens auf den Mikrochip übertragen. Anschließend haben wir darüber durch herkömmliche Vakuumverdampfung und Photolithographie Elektroden gebildet sind Prozesse, die wir intern haben“, sagt Lanza. „Auf diese Weise haben wir ein 5×5-Array aus Ein-Transistor-/Ein-Memristor-Zellen hergestellt, die in einer Kreuzschienenmatrix verbunden sind.“

Die exotischen Eigenschaften von 2D h-BN, hier nur 18 Atome oder 6 Nanometer dick, machen es zu einem idealen „Memristor“ – einer Widerstandskomponente, deren Widerstand durch die angelegte Spannung eingestellt werden kann. In dieser 5×5-Anordnung ist jedes der mikroskaligen Memristor-Pads mit einem einzelnen dedizierten Transistor verbunden. Dies sorgt für die feine Spannungssteuerung, die erforderlich ist, um den Memristor als funktionsfähiges Gerät mit hoher Leistung und Zuverlässigkeit über Tausende von Zyklen zu betreiben, in diesem Fall als neuronales Netzwerkelement mit geringem Stromverbrauch.

„Angesichts dieses Flaggschiff-Durchbruchs sprechen wir nun mit führenden Halbleiterunternehmen, um in dieser Richtung weiterzuarbeiten“, sagt Lanza. „Wir erwägen auch die Installation unseres eigenen industriellen Verarbeitungssystems für 2D-Materialien im Wafer-Maßstab bei KAUST, um diese Fähigkeit zu erweitern.“

Referenz: „Hybrid 2D–CMOS Microchips for Memristive Applications“ von Kaichen Zhu, Sebastian Pazos, Fernando Aguirre, Yaqing Shen, Yue Yuan, Wenwen Zheng, Osamah Alharbi, Marco A. Villena, Bin Fang, Xinyi Li, Alessandro Milozzi, Matteo Farronato , Miguel Munoz-Rojo, Tao Wang, Ren Li, Hossein Fariborzi, Juan B. Roldan, Guenther Benstetter, Xixiang Zhang, Husam N. Alshareef, Tibor Grasser, Huaqiang Wu, Daniel Ielmini und Mario Lanza, 27. März 2023, Nature. DOI 10.1038/s41586-023-05973-1