Silicium is aan het uitsterven.
Niet vandaag. Niet morgen. Maar de natuurkunde heeft bijna geen ruimte meer. We hebben miljarden transistors in moderne processors gestopt, waarbij we het element hebben samengedrukt tot het niet meer verder wil krimpen. Als we snellere computers willen, kunnen we niet zomaar kleinere versies blijven maken van wat we al hebben.
Wetenschappers kijken naar molybdeendisulumide (MoS2).
Het maakt deel uit van de familie van de transitiemetaaldichalcogeniden (TMD). Atomisch dun. Slechts drie atomen hoog: molybdeen ingeklemd tussen zwavellagen. Veelbelovend? Absoluut. Het probleem is niet het materiaal zelf. Het zorgt ervoor dat de spullen op de chip terechtkomen zonder deze kapot te maken.
De operatie is te nauwkeurig
Fabrikanten moeten de bovenste zwavellaag verwijderen. Laat het molybdeen met rust. Het is delicaat werk.
Momenteel gebruiken ze plasma. Hoogenergetische deeltjes. Dezelfde toestand van de materie als de zon, een veld dat het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het DOE al 75 jaar bestudeert. Wanneer die plasma-ionen het TMD-oppervlak raken, slaan ze zwavelatomen los.
Maar de natuurkunde is rommelig.
Er is bijna geen foutmarge tussen ‘zwavel valt eraf’ en ‘molybdeen wordt vernietigd’. Te hard getroffen? Geruïneerde wafel. Te zacht? Er gebeurt niets. Omdat de energiedrempels elkaar overlappen, is consistente productie een nachtmerrie geweest.
Yury Polyachenko en zijn team hebben een cheatcode gevonden.
Ze bedekten het materiaal met zuurstof of fluor voordat ze er plasma op sloegen. Computersimulaties, gepubliceerd in The Journal of Physical Chemistry Letters, laten zien hoeveel energie nodig is om zwaveldruppels drastisch te verwijderen. Van ongeveer 30 elektronvolt tot 14 eV met zuurstof. Nog lager (ongeveer 10 eV ) met fluor.
Waarom maakt dat uit?
Plasma is niet uniform. Ionen hebben verschillende energieniveaus. Bij onbehandeld materiaal betekent die variatie onvermijdelijke nevenschade. Door de verwijderingsdrempel te verlagen, wordt de kloof groter. Je kunt de bovenste laag voorzichtig strippen. De rest blijft staan.
“We verbreken niet direct de banden… We vormen een aantal tussenproducten, zoals zwaveldioxide. Dit tussenproduct is veel gemakkelijker af te breken.”
Door de chemie te laten helpen, wordt de hardware gespaard. Wanneer ionen het met zuurstof bedekte oppervlak raken, grijpt zuurstof een zwavelatoom. Ze binden zich en vormen zwaveldioxide : een stabiel gas dat vanzelf wegdrijft. Fluor creëert vergelijkbare vluchtige verbindingen. Het verandert een botte fysieke aanval in een gerichte chemische reactie.
Is het schaalbaar?
Polyachenko, de hoofdauteur van het onderzoek en een student aan Princeton, is voorzichtig met het te vroeg uitroepen van de overwinning.
Op dit moment weten we of het proces schade veroorzaakt. Volgende stap: meten hoeveel schade onder verschillende omstandigheden optreedt. De echte test komt wanneer ze elementen uitwisselen. Vervang molybdeen door wolfraam. Zwavel met selenium. Kijk of deze zuurstof/fluor-truc werkt in de hele TMD-familie.
Het onderzoek kreeg steun van het Departement Energie en verschillende federale centra. Simulaties werden uitgevoerd in de clusters National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) en Princeton University.
Als dit standhoudt, valt de siliciumbarrière.
Misschien niet meteen. Chips zijn ingewikkelde beestjes. Maar even lijkt de toekomst minder op een doodlopende weg en meer op een smalle deuropening. Eén atoomlaag dik.
Denk je dat TMD’s daadwerkelijk silicium zullen vervangen?
Waarschijnlijk.
Maar niet voordat we eerst nog een paar wafeltjes breken.
