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Power / Performance Bits: 28. Juni

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Einheitliche Waffeln herstellen

Wissenschaftler des Korea Institute of Machinery & Materials (KIMM) und der Nanyang Technological University Singapore (NTU Singapore) schlagen eine Technik vor, die Nanotransferdruck mit metallunterstütztem chemischem Ätzen kombiniert, um sie zu verbessern Wafer-Gleichmäßigkeit und Ertrag steigern.

Die Forscher verwendeten eine chemikalienfreie Nanotransfer-Drucktechnik, die Nanostrukturschichten aus Gold bei niedriger Temperatur (160 °C) auf ein Siliziumsubstrat überträgt, um einen äußerst gleichmäßigen Wafer mit Nanodrähten zu bilden, der während der Herstellung auf die gewünschte Dicke gesteuert werden kann. Das Team sagte, dass die Drucktechnik funktioniert, indem sie die direkte Chemisorption der dünnen Metallfilme unter Hitze auslöst, eine chemische Reaktion, die eine starke Bindung zwischen einer Substratoberfläche und der adsorbierten Substanz herstellt.

Die Technik ist mit industriellen Prozessen kompatibel und ermöglicht die schnelle und gleichmäßige Herstellung eines Wafers im Maßstab von Nanometern bis Zoll. Darüber hinaus stellten die Forscher fest, dass der hergestellte Wafer nahezu fehlerfrei ist. In Labortests konnte das Team eine Ausbeuteübertragung von über 99 % eines 20 Nanometer dicken Au-Films auf einen XNUMX-Zoll-Si-Wafer erreichen. Diese druckbare Wafergröße war auf den Laboraufbau beschränkt, und das Team glaubt, dass ihre Technik leicht für die Verwendung auf einem XNUMX-Zoll-Wafer skaliert werden kann.

Als das Verfahren zur Herstellung eines XNUMX-Zoll-Wafers übernommen wurde, blieb die gedruckte Schicht mit minimaler Biegung während des Ätzens intakt. Auf dem Wafer hergestellte Photodetektoren zeigten eine einheitliche Leistung.

„Die vom Forschungsteam von KIMM und NTU entwickelte Technik hat sich bei der Herstellung von Wafern mit ausgezeichneter Gleichmäßigkeit als effektiv erwiesen, was zu weniger defekten Halbleiterchips führt. Die Realität der weltweiten Chipversorgung ist ihre Anfälligkeit für viele externe Faktoren, darunter Materialknappheit und unerwartete Ereignisse wie die durch die COVID-19-Pandemie verursachten Unterbrechungen der Lieferkette. Unser neu entwickeltes Verfahren hat somit ein großes Potenzial, die Spanausbeute zukünftig durch eine Steigerung der Chipausbeute zu entlasten. Darüber hinaus können sich Chiphersteller auch einer größeren Kosteneffizienz mit höheren Erträgen erfreuen“, sagte Munho Kim, Assistenzprofessor an der School of Electrical and Electronic Engineering der NTU.

Das Forschungsteam hat Patente in Korea und Singapur angemeldet. Als nächstes streben sie an, ihre Technik in den nächsten Jahren mit einem Industriepartner für die Kommerzialisierung zu erweitern.

GaN-basierte CMOS-Schaltungen

Forscher der Hong Kong University of Science and Technology entwickelt CMOS auf Galliumnitrid (GaN)-Basis Logikschaltungen, die das Potenzial haben könnten, den Stromverbrauch der Logiksteuereinheit in Umwandlungsstromsystemen um 20–30 % zu senken.

„Wir haben die theoretische Geschwindigkeitsbegrenzung und Energieeffizienz der GaN-CMOS-Technologie analysiert, basierend auf den Materialeigenschaften von GaN und den leicht verfügbaren Herstellungstechniken auf 8-Zoll-Linien. Wir haben festgestellt, dass die einstufige Logikgatterverzögerung selbst bei einer relativ pessimistischen Schätzung durch Prozessoptimierung und Geräteverkleinerung für GaN-CMOS-Schaltungen auf kommerziellen Plattformen kürzer als 1 Nanosekunde sein kann“, sagte Kevin J. Chen, Lehrstuhlprofessor in die Abteilung für Elektrotechnik und Computertechnik an der HKUST.

„Das ist zwar immer noch langsamer als die hochmodernen Hochgeschwindigkeits-CMOS-Schaltungen, erfüllt aber problemlos die Anforderungen von GaN-basierten Leistungswandlungssystemen, deren Betriebsfrequenz in der Regel 10 MHz nicht überschreitet.“

Chen fügte hinzu: „Mit GaN-basierten CMOS-Schaltungen, die periphere Schaltungen wie Controller, Treiber und verschiedene Sensoren implementieren, kann die Verlustleistung von Logikblöcken erheblich um mehr als drei Größenordnungen reduziert werden. Als Ergebnis kann der Gesamtstromverbrauch der Logiksteuereinheit im Stromversorgungssystem um 3–20 % reduziert werden. Downscaling und Gate-Stack-Engineering von p-FETs sollen die Leistung weiter verbessern und das Kommerzialisierungstempo der GaN-CMOS-Logikschaltungstechnologie beschleunigen.“

Abstimmbare photonische On-Chip-Schnittstelle

Forscher der University of Chicago entwickelten eine abstimmbare photonische On-Chip-Schnittstelle das Licht in eine Richtung leiten kann, indem es Licht, das in einem nanophotonischen Wellenleiter eingeschlossen ist, mit einem atomar dünnen, zweidimensionalen Halbleiter koppelt.

Das Team verwendete das zweidimensionale Material Wolframdiselenid. „Die einzigartigen Eigenschaften der Bandstruktur des Materials ermöglichen es ihm, basierend auf der Helizität der Polarisation des Lichts unterschiedlich mit Licht zu interagieren. In nanophotonischen Strukturen, in denen Licht auf unterhalb seiner Wellenlänge beschränkt ist, entsteht auf natürliche Weise eine zirkulare Polarisation, und die Helizität ist an die Ausbreitungsrichtung des Lichts gebunden“, stellten die Forscher fest.

Von dem Wolframdiselenid emittiertes Licht wird in einer bevorzugten Richtung in den Wellenleiter eingekoppelt. Dies kann auch ein- und ausgeschaltet werden, indem dem System Elektronen hinzugefügt werden, wodurch ein abstimmbarer Emissionsrouter entsteht.

„Wir haben eine skalierbare Methode entwickelt, um Photonik und 2D-Halbleiter so zusammenzubringen, dass neue Steuerknöpfe hinzugefügt werden und die hohe Qualität des empfindlichen Materials erhalten bleibt“, sagte Robert Shreiner, Doktorand an der University of Chicago. „Diese Schnittstelle öffnet neue Türen für die Entwicklung ultrakompakter photonischer Einweggeräte.“

Die Forscher sagten, dass das Gerät verwendet werden könnte, um photonische Elemente in bestehende optoelektronische Systeme zu integrieren, wie z. B. On-Chip-Laser für Lidar. „Wir sehen diese Forschung als Wegbereiter für eine ganz neue Klasse integrierter photonischer Schaltkreise“, sagte Alex High, Assistenzprofessor an der University of Chicago.

Kai Hao, Postdoktorand an der University of Chicago, fügte hinzu: „Wir nutzen bereits Photonik, um Informationen in Glasfasernetzen im ganzen Land zu transportieren, aber Fortschritte wie dieser könnten dazu beitragen, den Lichtfluss im Nanomaßstab vollständig zu kontrollieren und so eine optische Chip-Netzwerke.“

Jesse Allen

Jesse Allen

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Jesse Allen ist der Administrator des Knowledge Centers und leitender Redakteur bei Semiconductor Engineering.

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