Crescita di un transistor funzionale 2D su un wafer di silicio

Elettronica e sensori INSIDER

Fedele alla legge di Moore, il numero di transistor su un microchip è raddoppiato ogni anno a partire dagli anni '60. Ma si prevede che questa traiettoria si stabilizzerà presto perché il silicio – la spina dorsale dei transistor moderni – perde le sue proprietà elettriche una volta che i dispositivi realizzati con questo materiale scendono al di sotto di una certa dimensione.

Entra nei materiali 2D: delicati fogli bidimensionali di cristalli perfetti sottili come un singolo atomo. Su scala nanometrica, i materiali 2D possono condurre gli elettroni in modo molto più efficiente del silicio. La ricerca di materiali per transistor di prossima generazione si è quindi concentrata sui materiali 2D come potenziali successori del silicio.

Ma prima che l’industria elettronica possa passare ai materiali 2D, gli scienziati devono trovare un modo per progettare i materiali su wafer di silicio standard del settore preservando la loro perfetta forma cristallina. E gli ingegneri del MIT potrebbero ora avere una soluzione.

Il team ha sviluppato un metodo che potrebbe consentire ai produttori di chip di fabbricare transistor sempre più piccoli da materiali 2D facendoli crescere su wafer esistenti di silicio e altri materiali. Il nuovo metodo è una forma di “crescita non epitassiale, monocristallina”, che il team ha utilizzato per la prima volta per far crescere materiali 2D puri e privi di difetti su wafer di silicio industriali.

Con il loro metodo, il team ha fabbricato un semplice transistor funzionale da materiali 2D chiamati dicalcogenuri di metalli di transizione, o TMD, che sono noti per condurre l'elettricità meglio del silicio su scala nanometrica.

"Ci aspettiamo che la nostra tecnologia possa consentire lo sviluppo di dispositivi elettronici di prossima generazione basati su semiconduttori 2D, ad alte prestazioni", ha affermato Jeehwan Kim, professore associato di ingegneria meccanica al MIT. "Abbiamo scoperto un modo per raggiungere la Legge di Moore utilizzando materiali 2D." Kim e i suoi colleghi descrivono in dettaglio il loro metodo in un articolo apparso su Nature.

Per produrre un materiale 2D, i ricercatori hanno generalmente utilizzato un processo manuale mediante il quale una scaglia sottile come un atomo viene accuratamente esfoliata da un materiale sfuso, come staccare gli strati di una cipolla.

Ma la maggior parte dei materiali sfusi sono policristallini, contenenti più cristalli che crescono in orientamenti casuali. Nel punto in cui un cristallo ne incontra un altro, il "confine del grano" agisce come una barriera elettrica. Tutti gli elettroni che fluiscono attraverso un cristallo si fermano improvvisamente quando incontrano un cristallo con un orientamento diverso, smorzando la conduttività del materiale. Dopo aver esfoliato una scaglia 2D, i ricercatori devono quindi cercare nella scaglia regioni “monocristalline” – un processo noioso e dispendioso in termini di tempo che è difficile da applicare su scala industriale.

Recentemente, i ricercatori hanno trovato altri modi per fabbricare materiali 2D, coltivandoli su wafer di zaffiro, un materiale con uno schema esagonale di atomi, che incoraggia i materiali 2D ad assemblarsi nello stesso orientamento monocristallino.

"Ma nessuno usa lo zaffiro nell'industria della memoria o della logica", afferma Kim. "Tutta l'infrastruttura è basata sul silicio. Per la lavorazione dei semiconduttori è necessario utilizzare wafer di silicio." Tuttavia, i wafer di silicio non hanno l'impalcatura di supporto esagonale dello zaffiro. Pertanto, quando i ricercatori tentano di far crescere materiali 2D sul silicio, il risultato è un mosaico casuale di cristalli che si fondono in modo casuale, formando numerosi bordi di grano che ostacolano la conduttività.

La nuova "crescita non epitassiale, monocristallina" del team non richiede il distacco e la ricerca di scaglie di materiale 2D. Invece, i ricercatori utilizzano metodi convenzionali di deposizione di vapore per pompare atomi attraverso un wafer di silicio. Gli atomi alla fine si depositano sul wafer e si nucleano, crescendo in orientamenti cristallini bidimensionali. Se lasciato solo, ogni "nucleo", o seme di un cristallo, crescerebbe con un orientamento casuale attraverso il wafer di silicio. Ma Kim e i suoi colleghi hanno trovato un modo per allineare ciascun cristallo in crescita per creare regioni monocristalline sull’intero wafer.

Per fare ciò, hanno prima coperto un wafer di silicio con una “maschera” – un rivestimento di biossido di silicio che hanno modellato in minuscole tasche, ciascuna progettata per intrappolare un seme di cristallo. Attraverso il wafer mascherato, hanno poi fatto scorrere un gas di atomi che si è depositato in ciascuna tasca per formare un materiale 2D, in questo caso un TMD. Le tasche della maschera racchiudevano gli atomi e li incoraggiavano ad assemblarsi sul wafer di silicio nello stesso orientamento monocristallino.