Hoe worden de thermische en mechanische eigenschappen van tweedimensionale halfgeleiders gemeten en begrepen?

Tweedimensionale overgangsmetaaldichalcogeniden (TMDC’s) onderscheiden zich door hun uitzonderlijke structurele, mechanische en fysieke eigenschappen, waardoor ze bijzonder waardevol zijn voor zowel fundamenteel wetenschappelijk onderzoek als praktische toepassingen in de techniek. Hun unieke mechanische kwaliteiten maken ze geschikt voor een breed scala aan toepassingen, zoals flexibele elektronica, slimme gezondheidsdiagnostiek, draagbare apparaten en geïntegreerde schakelingen (IC’s). Naarmate IC’s steeds sneller en complexer worden met een hoger aantal transistors, wordt het steeds crucialer om het energieverbruik en de daardoor ontstane warmteontwikkeling effectief te beheren. Het begrijpen van de thermische eigenschappen van 2D-materialen is daarom van essentieel belang.

Er bestaan verschillende geavanceerde methoden om deze thermische eigenschappen te bepalen. Raman-spectroscopie maakt gebruik van de gevoeligheid van fononfrequenties binnen TMDC’s voor lokale temperatuurveranderingen, waarbij de thermische geleidbaarheid indirect kan worden geschat via een niet-contactmethode. Hoewel optische fononen zelf niet significant bijdragen aan warmtegeleiding, reageren hun vibratiefrequenties wel duidelijk op temperatuurvariaties, wat waardevolle informatie verschaft.

Een andere krachtige techniek is de scanning thermische microscopie (SThM). Hierbij wordt een thermische sonde geïntegreerd in een Wheatstone-brugconfiguratie, waarbij de verandering in weerstand van de sonde door warmteoverdracht naar het monster gemeten wordt. Dit resulteert in een variatie in outputspanning die direct correleert met de warmtestroom en dus de thermische geleidbaarheid van het materiaal. Anders dan optische technieken, wordt SThM niet beperkt door diffractie, wat een ruimtelijke resolutie tot wel 50 nm mogelijk maakt. Dit is onmisbaar voor het bestuderen van 2D-materialen met gevarieerde afmetingen en randvoorwaarden, evenals voor heterogene systemen waarbij het substraat een variërende topografie bezit.

Time-domain thermoreflectance (TDTR) is tevens een beproefde methode, waarbij een femtoseconde gepulseerde laser wordt opgesplitst in een pomp- en een probebundel. De pompbundel verwarmt het materiaal, terwijl de probebundel de veranderingen in reflectantie detecteert die met temperatuur samenhangen. Door modulatie van de pompbundel en gebruik van fasegevoelige detectie kan men zeer nauwkeurige metingen van thermische geleidbaarheid uitvoeren.

Een opmerkelijke innovatie binnen dit domein is de ontwikkeling van een elektrochemische thermische transistor, waarbij Li-ionen reversibel geïntercaleerd worden in MoS2-films. Dit resulteert in een bijna tienvoudige variatie in thermische conductantie, waarbij de “aan”-toestand correspondeert met puur MoS2 en de “uit”-toestand met Li-geïntegreerd MoS2. Door simultane TDTR-metingen tijdens elektrochemische cycli kan de ruimtelijke verdeling van Li-ionen binnen het materiaal nauwkeurig worden bestudeerd.

Verder heeft het samenstellen van ultradunne van der Waals-heterostructuren bestaande uit monolagen van verschillende 2D-materialen zoals grafeen, MoS2 en WSe2 geleid tot een uitzonderlijk hoge thermische isolatie. Deze structuren vertonen een thermische weerstand die de waarde van veel dikkere materialen zoals SiO2 ruimschoots overstijgt en een effectieve thermische geleidbaarheid lager dan die van lucht bij kamertemperatuur. Dit fenomeen wordt verklaard door verschillen in massadichtheid en fonondichtheid tussen de lagen. Zulke thermische metamaterialen openen nieuwe mogelijkheden voor toepassingen waar extreem dunne thermische isolatie vereist is, zoals in thermische energieoogst en warmtebeheer in ultracompacte apparaten.

Mechanisch gezien vormen TMDC’s een belangrijke vooruitgang ten opzichte van grafeen, dat ondanks zijn ongeëvenaarde sterkte beperkt is door het ontbreken van een bandgap. TMDC’s zoals MoS2, WS2 en WSe2 combineren een variabele bandgap (van indirect in bulk tot direct in monolagen) met mechanische flexibiliteit, wat ze uitermate geschikt maakt voor flexibele elektronica en opto-elektronica. Initiële studies naar de mechanische eigenschappen van TMDC’s hebben zich gericht op bijna defectvrije, geëxfolieerde monolagen, waarbij atomaire krachtmicroscopie (AFM) werd ingezet om mechanische sterkte en flexibiliteit te karakteriseren.

Het is belangrijk te beseffen dat de thermische en mechanische eigenschappen van 2D-materialen niet alleen fundamentele fysische kenmerken zijn, maar ook direct van invloed zijn op de toepasbaarheid in technologieën die onderhevig zijn aan strenge eisen qua energiebeheer, betrouwbaarheid en flexibiliteit. De interactie tussen lagen in heterostructuren, de invloed van ionintercalatie, en de afstemming van materiaalparameters op nanoschaal vormen cruciale factoren die de prestaties van toekomstige nano-elektronische en thermische apparaten zullen bepalen. Begrip van deze eigenschappen vraagt niet alleen om geavanceerde meetmethoden, maar ook om een integratieve benadering waarbij materiaalkunde, fysica en engineering samenkomen.

Wat zijn de belangrijkste factoren die de productie van geavanceerde halfgeleiderchips beïnvloeden?

De productie van halfgeleiderchips, essentieel voor moderne elektronica, is een complex proces dat nauw samenhangt met zowel technologische innovaties als economische factoren. Het hele proces begint met de vervaardiging van siliciumwafels, die dienen als basis voor de productie van geïntegreerde circuits (IC’s). Deze circuits kunnen worden gecategoriseerd op basis van hun functionaliteit of de gebruikte IC’s. De sleutel tot de productie van krachtige en efficiënte chips ligt in het begrijpen van de rol van materialen, technologische vooruitgangen, en de veranderingen in de fabrieken waar chips worden vervaardigd.

De productie van siliciumwafels start met de verkregen elektronische silicium (EGS), een extreem puur materiaal dat uit een enkele kristallen staaf wordt gesneden en tot wafels wordt gevormd. Het basismateriaal hiervoor wordt gewonnen uit zand, dat eerst wordt omgezet in metallurgisch silicium (MGS) en vervolgens verder wordt verfijnd tot polycrystalline silicium via het Siemens-proces. Dit proces vereist strikte controle over de impuriteiten, aangezien zelfs een klein percentage onzuiverheden de eigenschappen van de wafels aanzienlijk kan beïnvloeden.

Zodra de wafels zijn vervaardigd, volgt de fabricage van de halfgeleiderchips zelf, wat bestaat uit verschillende fasen, waaronder fotolithografie, doping, etsen, en het plaatsen van metalen verbindingen. Het doel van deze stappen is om specifieke eigenschappen toe te voegen aan het silicium, waardoor het geschikt wordt voor het gebruik in elektronische componenten zoals microprocessoren, geheugenchips, en grafische processoren.

De chips zelf kunnen worden ingedeeld in vier hoofdcategorieën, afhankelijk van hun functie: geheugen, microprocessors, standaardchips (zoals GPU’s), en complexe systeem-op-chips (SoC’s). Elk type heeft zijn eigen productiemethode en specificaties, die nauw verbonden zijn met de gewenste prestaties en toepassingen. Bijvoorbeeld, geheugenchips zijn ontworpen voor gegevensopslag, terwijl SoC’s een breed scala aan functies integreren in één chip, wat ze ideaal maakt voor toepassingen zoals smartphones.

De grootte van de geïntegreerde circuits is de afgelopen decennia drastisch verkleind, met de transitie van honderden micrometers naar nanometers. Deze miniaturisatie heeft de chiptechnologie gedreven naar nieuwe hoogten, waardoor chips sneller, efficiënter en goedkoper zijn geworden. Het bereiken van steeds kleinere afmetingen stelt de industrie echter voor grote uitdagingen, zowel op het gebied van productie als kosten.

De kosten van de productie van chips stijgen naarmate de complexiteit van de geïntegreerde circuits toeneemt. Om deze kosten te drukken, moeten fabrikanten grotere wafels gebruiken. Dit heeft geleid tot een verschuiving naar wafels van 300 mm, met plannen om naar 450 mm wafels over te stappen. Dit zou de kosten per chip met 30% kunnen verlagen, omdat fabrikanten meer chips per wafel kunnen produceren.

Bovendien is er een aanzienlijke stijging in de hoeveelheid transistors die per chip kunnen worden geïntegreerd, wat resulteert in de verschillende niveaus van integratie, van small-scale integration (SSI) tot giga-scale integration (GLSI). De miniaturisatie heeft geleid tot de ontwikkeling van geavanceerde chips die niet alleen sneller en kleiner zijn, maar ook energiezuiniger, wat hen bijzonder geschikt maakt voor draagbare technologieën en andere applicaties die efficiëntie vereisen.

Toch blijven er aanzienlijke technische obstakels bestaan bij het verder verkleinen van chipcomponenten. Terwijl chips op nanoschaal zich snel blijven ontwikkelen, komen er vragen op over de fysieke limieten van de miniaturisatie en de mogelijke toepassingen van alternatieve materialen, zoals 2D-halvgeleiders, die mogelijk nieuwe mogelijkheden kunnen bieden voor het verbeteren van de prestaties en efficiëntie van chips in de toekomst.

Voor het effectieve gebruik van geavanceerde halfgeleiders in diverse toepassingen is het belangrijk om niet alleen de technologische vooruitgangen in de chipfabricage te begrijpen, maar ook de impact van materiaalkeuze en productiemethoden. De keuzes die worden gemaakt in de vroege stadia van chipproductie, zoals het kiezen van de juiste siliciumbron en het optimaliseren van het productieproces, spelen een cruciale rol in het uiteindelijke succes van het eindproduct. Het gebruik van geavanceerde productietechnieken en het inzetten van grotere wafels biedt aanzienlijke voordelen voor chipfabrikanten, maar dit vereist ook aanzienlijke investeringen in nieuwe fabrieken en technologieën.

Hoe Verandert De Technologie van Halfgeleiderchips door de Jaren?

De productie van geïntegreerde schakelingen (IC) begint met een reeks geavanceerde stappen, van het omzetten van zand in silicium tot de verpakking van chips voor eindgebruik. Dit proces is een van de meest geavanceerde technologieën die door de mens is ontwikkeld en vereist nauwkeurige beheersing van verschillende productietechnieken.

De eerste stap is de productie van polycrystalline silicium, wat kan worden omgezet naar enkelkristallijn silicium, een essentieel materiaal voor de fabricage van halfgeleiderchips. Er zijn twee belangrijke technieken voor deze omzetting: de Czochralski-methode (CZ) en de float zone-techniek. Beide methoden stellen fabrikanten in staat om silicium in de vorm van een eenzijdig kristal te verkrijgen. Dit kristal wordt vervolgens verder bewerkt om wafers te maken. De wafers, die de basis vormen voor de chipproductie, worden gesneden, gepolijst en gecontroleerd op specificaties zoals weerstand en oriëntatie.

Na het verkrijgen van de wafers begint het complexe proces van IC-fabricage. Het proces omvat onder andere ontwerp en masking, waferfabricage, testen en kwaliteitscontrole, integratie en verpakking. Gedurende deze stadia wordt elke wafer behandeld met verschillende technieken om de gewenste elektronische eigenschappen te verkrijgen, zoals doping en het plaatsen van lagen van andere materialen om circuits te vormen.

Volgens Moore's wet, die werd gepostuleerd door de Amerikaanse ingenieur Gordon Moore, verdubbelt de dichtheid van transistors op geïntegreerde schakelingen elke twee jaar. Dit geldt nog steeds als een fundamentele richtlijn voor de halfgeleiderindustrie, hoewel de schaalverkleining van transistoren steeds meer uitdagingen met zich meebrengt. De verschuiving naar sub-10 nm technologieën is een direct gevolg van deze wet, waarbij nieuwe nanostructuren en geavanceerde lithografietechnieken zoals extreme ultraviolet fotolithografie (EUV) en elektronbeam-lithografie worden ingezet. Door deze technologieën kunnen chips met steeds kleinere afmetingen worden vervaardigd, wat resulteert in een lager energieverbruik en een betere prestaties.

Op dit moment worden de eerste chips geproduceerd op basis van 5 nm technologie, zoals de Apple A14 processor en de Qualcomm Snapdragon SD875, die veelbelovende prestaties leveren voor toepassingen zoals 5G en kunstmatige intelligentie. De 5 nm technologie biedt niet alleen een verhoogde transistor dichtheid, maar ook een vermindering van het energieverbruik met 20-30%, wat van cruciaal belang is voor de ontwikkeling van mobiele apparaten en andere energie-intensieve toepassingen.

De evolutie stopt echter niet bij 5 nm. Er wordt al gewerkt aan chips die zijn gebaseerd op 2 nm technologie, met TSMC die verwacht in 2024 te beginnen met de productie van IC's op basis van deze technologie. Deze vooruitgang zal een belangrijke rol spelen in de ontwikkeling van apparaten die een extreem hoge snelheid en efficiëntie vereisen, zoals autonome voertuigen en geavanceerde communicatiesystemen.

Naast de miniaturisatie van chips zelf, is er ook aandacht voor nieuwe transistorstructuren zoals de gate-all-around (GAA) en nanowire FET (NWFET) technologieën, die nieuwe mogelijkheden bieden voor het verbeteren van de prestaties en het verminderen van de kosten. Deze nieuwe technieken maken gebruik van geavanceerde materialen en ontwerpen om de prestaties van chips te verbeteren, zelfs op de nanoschaal.

Met de vooruitgang in halfgeleidertechnologie worden nieuwe uitdagingen steeds meer de norm. De productie van chips vereist niet alleen enorme investeringen in onderzoek en ontwikkeling, maar ook in faciliteiten en productielijnen. De kosten voor het ontwerpen en produceren van chips op de nieuwste technologieën kunnen oplopen tot honderden miljoenen dollars. Slechts een handvol bedrijven wereldwijd, zoals Intel, TSMC en Samsung, zijn in staat om dergelijke technologieën op grote schaal te produceren. Dit zorgt voor een steeds grotere concentratie van de halfgeleiderindustrie in de handen van enkele bedrijven, wat de concurrentie en innovatie beïnvloedt.

Bovendien is het belangrijk te begrijpen dat de miniaturisatie van transistoren niet onbeperkt kan doorgaan. Naarmate de schaalverkleining voortschrijdt, komen er fysische grenzen in zicht, zoals quantum- en thermische effecten, die de prestaties kunnen beïnvloeden. Dit betekent dat de halfgeleiderindustrie zich steeds meer moet richten op het ontwikkelen van nieuwe materialen, zoals 2D-materialen, en innovatieve transistorontwerpen om de prestaties van chips in de toekomst te verbeteren.

De implementatie van deze geavanceerde technologieën zal niet alleen de prestaties van elektronische apparaten verbeteren, maar zal ook invloed hebben op diverse andere sectoren, waaronder gezondheidszorg, kunstmatige intelligentie, mobiliteit en energie. Het gebruik van geavanceerde halfgeleidertechnologie in bijvoorbeeld medische apparaten en autonome voertuigen zal leiden tot nieuwe mogelijkheden voor innovatie en efficiëntie.