Kiselhalvledarteknologi har gjort underverk för vårt samhälles framsteg, som har gynnats enormt av dess mångsidiga användning och fantastiska möjligheter. Utvecklingen av elektronik, automatisering, datorer, digitalkameror och nyare smartphones baserade på detta material och dess underliggande teknik har skjutit i höjden, nedskalning av den fysiska storleken på enheter och ledningar till nanometerregimen.

Även om denna teknik har utvecklats sedan slutet av 1960-talet, miniatyriseringen av kretsar verkar ha nått en möjlig slutpunkt, eftersom transistorer bara kan krympas ner till en viss storlek och inte längre. Således, det finns ett akut behov av att komplettera Si CMOS-tekniken med nya material, och att uppfylla de framtida datorkraven samt behoven av diversifiering av tillämpningar.

Nu, grafen och relaterade tvådimensionella (2-D) material erbjuder utsikter till oöverträffade framsteg i enhetens prestanda vid atomgränsen. Deras fantastiska potential har visat sig vara en möjlig lösning för att övervinna kiselteknologins begränsningar, där kombinationen av 2-D-material med silikonchips lovar att överträffa nuvarande tekniska begränsningar.

I en ny recensionsartikel i Natur , ett team av internationella forskare inklusive ICFO-forskarna Dr. Stijn Goossens och ICREA Prof vid ICFO Frank Koppens, och industriella ledare från IMEC och TSMC har samlats för att ge en djupgående och grundlig översyn av möjligheterna, framsteg och utmaningar med att integrera atomärt tunna material med Si-baserad teknologi. De ger insikter om hur och varför 2D-material (2DM) kan övervinna nuvarande utmaningar från den befintliga tekniken och hur de kan förbättra både enhetskomponenternas funktion och prestanda, för att förbättra funktionerna i framtida teknologier, inom områdena beräknings- och icke-beräkningstillämpningar.

För icke-beräkningstillämpningar, de granskar den möjliga integrationen av dessa material för framtida kameror, optisk datakommunikation med låg effekt och gas- och biosensorer. Särskilt, bildsensorer och fotodetektorer, är områden där grafen och 2DMs skulle kunna möjliggöra en ny vision i det infraröda och terahertzområdet utöver det synliga området för spektrumet. Dessa kan tjäna, till exempel, i autonoma fordon, säkerhet på flygplatser och augmented reality.

För beräkningssystem, och i synnerhet inom området transistorer, de visar hur utmaningar som dopning, kontaktresistans och dielektrikum/inkapsling kan minskas när 2DMs integreras med Si-teknik. 2DMs kan också radikalt förbättra minnes- och datalagringsenheter med nya omkopplingsmekanismer för meta;-isolator-metallstrukturer, undvika smygströmmar i minnesmatriser, eller till och med öka prestandavinster för koppartrådbaserade kretsar genom att fästa grafen till de ultratunna kopparbarriärmaterialen och därmed minska motståndet, spridning och självuppvärmning.

Granskningen ger insikt till alla intressenter om utmaningarna och effekterna av att lösa 2D-materialintegration med CMOS-teknik. Det ger en färdplan för 2D-integration och CMOS-teknik, peka ut i vilket skede alla utmaningar när det gäller tillväxt, överföra, gränssnitt, doping, kontakta, och design finns idag och vilka möjliga processer som förväntas lösas för att uppnå sådana mål att gå från en forskningslaboratoriemiljö till en pilotlinje för produktion av de första enheterna som kombinerar båda teknologierna.

Den första 2D-material-CMOS-färdplanen, som presenteras i denna recension, ger en spännande inblick i framtiden, med den första pilotproduktionen att vänta om bara några år.