薄型の飛躍: 世界初の機能的な 2D マイクロチップ

Apr 30, 2023

キング・アブドラ科学技術大学 (KAUST) 2023 年 6 月 4 日

KAUST のマリオ・ランザ教授と共同研究者らは、合成材料を使用した世界初の 2D マイクロチップの設計に成功しました。 製造上の課題にもかかわらず、チームは高性能、低消費電力のニューラル ネットワーク要素として機能するチップの作成に成功し、マイクロチップ技術の進歩への扉を開きました。 クレジット: © 2023 KAUST; マリオ・ランザ

エキゾチックな特性を持つ原子的に薄い二次元材料を統合した機能的マイクロチップの最初の実証は、マイクロエレクトロニクスの新時代の到来を告げるものである。

エキゾチックな二次元材料に基づいた世界初の完全に統合された機能的なマイクロチップが KAUST で製造されました。 この画期的な進歩は、マイクロチップベースの技術の機能と性能を拡張する 2D 材料の可能性を示しています。

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"}]">グラフェン — 2004 年、その斬新で有望な物理的特性により、先進的かつ新規な用途としてこのような材料に強い関心が寄せられました。 しかし、20 年にわたる研究にもかかわらず、これらの 2D 材料に基づく機能的マイクロデバイスは、そのような壊れやすい薄膜の製造と取り扱いにおける課題のため、とらえどころのないことが判明しました。

機能性 2D フィルムに関する Lanza の研究室の最近の成果に触発され、KAUST 主導の共同研究により、プロトタイプの 2D ベースのマイクロチップが作成され、実証されました。

「私たちの動機は、従来のシリコンベースの CMOS マイクロ回路をベースとして使用し、標準的な半導体製造技術を使用することで、2D 材料ベースの電子デバイスと回路の技術準備レベルを高めることでした」と Lanza 氏は言います。 「しかし、課題は、合成 2D 材料には、小型デバイスの故障の原因となる原子不純物などの局所欠陥が含まれる可能性があることです。また、損傷を与えずに 2D 材料をマイクロチップに統合することは非常に困難です。」

研究チームは、製造を容易にし、欠陥の影響を最小限に抑えるためにチップの設計を最適化しました。 彼らは、標準的な相補型金属酸化物半導体 (CMOS) トランジスタをチップの片面に製造し、相互接続を下面まで通すことでこれを実現しました。これにより、幅 0.25 マイクロメートル未満の小さなパッドに 2D 材料を確実に転写できます。

「銅箔上に六方晶窒化ホウ素 (h-BN) の 2D 材料を生成し、低温湿式プロセスを使用してマイクロチップに転写し、その後、従来の真空蒸着とフォトリソグラフィーによって上部に電極を形成しました。社内にあるプロセスです」と Lanza 氏は言います。 「このようにして、クロスバーマトリックスに接続された1トランジスタ/1メモリスタセルの5×5アレイを作成しました。」

2D h-BN のエキゾチックな特性は、わずか 18 原子または厚さ 6 ナノメートルであり、理想的な「メモリスタ」、つまり印加電圧によって抵抗を設定できる抵抗コンポーネントとなります。 この 5×5 配置では、マイクロスケール メモリスタ パッドのそれぞれが単一の専用トランジスタに接続されます。 これにより、メモリスタを数千サイクルにわたって高性能かつ信頼性の高い機能デバイスとして、この場合は低電力ニューラル ネットワーク要素として動作させるために必要な精密な電圧制御が可能になります。

「この画期的な進歩により、私たちは現在、この方向に取り組み続けるために大手半導体企業と話し合っています」とランザ氏は言う。 「この能力を向上させるために、KAUST に 2D 材料用の独自のウェーハスケール産業処理システムを導入することも検討しています。」

参考文献: 「Hybrid 2D–CMOS Microchips for Memristive Applications」 by 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、Mario Lanza、2023 年 3 月 27 日、Nature。 DOI 10.1038/s41586-023-05973-1