Los ingenieros cultivan materiales delgados como un átomo «perfectos» en obleas de silicio industriales

La nueva técnica podría permitir a los fabricantes de chips producir transistores de próxima generación basados ​​en materiales distintos al silicio.

Fiel a la Ley de Moore, el número de transistores en un microchip se ha duplicado cada año desde la década de 1960. Pero se predice que esta trayectoria se estancará pronto porque el silicio, la columna vertebral de los transistores modernos, pierde sus propiedades eléctricas una vez que los dispositivos fabricados con este material descienden por debajo de cierto tamaño.

Al depositar átomos en una oblea recubierta con una «máscara» (arriba a la izquierda), los ingenieros del MIT pueden acorralar los átomos en los bolsillos de la máscara (centro, centro) y alentar a los átomos a crecer hasta convertirse en capas monocristalinas perfectas en 2D (abajo a la derecha). ). Ilustración de MIT News.

Ingrese a los materiales 2D: láminas delicadas y bidimensionales de cristales perfectos que son tan delgados como un solo átomo. En la escala de nanómetros, los materiales 2D pueden conducir electrones mucho más eficientemente que el silicio. Por lo tanto, la búsqueda de materiales de transistores de próxima generación se ha centrado en materiales 2D como posibles sucesores del silicio.

Pero antes de que la industria electrónica pueda hacer la transición a los materiales 2D, los científicos primero deben encontrar una manera de diseñar los materiales en obleas de silicio estándar de la industria mientras conservan su forma cristalina perfecta. Y los ingenieros del MIT ahora pueden tener una solución.

El equipo ha desarrollado un método que podría permitir a los fabricantes de chips fabricar transistores cada vez más pequeños a partir de materiales 2D cultivándolos en obleas de silicio y otros materiales existentes. El nuevo método es una forma de «crecimiento monocristalino no pitaxial», que el equipo utilizó por primera vez para hacer crecer materiales 2D puros y sin defectos en obleas de silicio industriales.

Con su método, el equipo fabricó un transistor funcional simple a partir de un tipo de materiales 2D llamados dicalcogenuros de metales de transición, o TMD, que se sabe que conducen la electricidad mejor que el silicio a escalas nanométricas.

“Esperamos que nuestra tecnología pueda permitir el desarrollo de dispositivos electrónicos de próxima generación de alto rendimiento basados ​​en semiconductores 2D”, dice Jeehwan Kim, profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT. «Hemos desbloqueado una forma de ponernos al día con la Ley de Moore utilizando materiales 2D».

Kim y sus colegas detallan su método en un papel apareciendo en Naturaleza. Los coautores del estudio del MIT incluyen a Ki Seok Kim, Doyoon Lee, Celesta Chang, Seunghwan Seo, Hyunseok Kim, Jiho Shin, Sangho Lee, Jun Min Suh y Bo-In Park, junto con colaboradores de la Universidad de Texas en Dallas, la Universidad de California en Riverside, la Universidad de Washington en Saint Louis e instituciones en Corea del Sur.

Un mosaico de cristal

Para producir un material 2D, los investigadores generalmente han empleado un proceso manual mediante el cual una escama delgada como un átomo se exfolia cuidadosamente de un material a granel, como pelar las capas de una cebolla.

Pero la mayoría de los materiales a granel son policristalinos y contienen múltiples cristales que crecen en orientaciones aleatorias. Donde un cristal se encuentra con otro, el «límite de grano» actúa como una barrera eléctrica. Cualquier electrón que fluya a través de un cristal se detiene repentinamente cuando se encuentra con un cristal de una orientación diferente, amortiguando la conductividad de un material. Incluso después de exfoliar una escama 2D, los investigadores deben buscar regiones «monocristalinas» en la escama, un proceso tedioso y lento que es difícil de aplicar a escala industrial.

Recientemente, los investigadores han encontrado otras formas de fabricar materiales 2D, cultivándolos en obleas de zafiro, un material con un patrón hexagonal de átomos que fomenta que los materiales 2D se ensamblen en la misma orientación monocristalina.

“Pero nadie usa zafiro en la industria de la memoria o la lógica”, dice Kim. “Toda la infraestructura está basada en silicio. Para el procesamiento de semiconductores, debe usar obleas de silicio”.

Sin embargo, las obleas de silicio carecen del andamio de soporte hexagonal del zafiro. Cuando los investigadores intentan hacer crecer materiales 2D en silicio, el resultado es un mosaico aleatorio de cristales que se fusionan al azar, formando numerosos límites de grano que obstaculizan la conductividad.

“Se considera casi imposible cultivar materiales 2D monocristalinos en silicio”, dice Kim. “Ahora te mostramos que puedes. Y nuestro truco es prevenir la formación de límites de grano”.

Bolsillos de semillas

El nuevo “crecimiento monocristalino no pitaxial” del equipo no requiere pelar y buscar escamas de material 2D. En su lugar, los investigadores utilizan métodos convencionales de deposición de vapor para bombear átomos a través de una oblea de silicio. Los átomos finalmente se depositan en la oblea y se nuclean, creciendo en orientaciones de cristal bidimensionales. Si se deja solo, cada «núcleo», o semilla de un cristal, crecería en orientaciones aleatorias a lo largo de la oblea de silicio. Pero Kim y sus colegas encontraron una manera de alinear cada cristal en crecimiento para crear regiones monocristalinas en toda la oblea.

Para hacerlo, primero cubrieron una oblea de silicio con una «máscara», una capa de dióxido de silicio que moldearon en pequeños bolsillos, cada uno diseñado para atrapar una semilla de cristal. A través de la oblea enmascarada, luego fluyó un gas de átomos que se asentó en cada bolsillo para formar un material 2D, en este caso, un TMD. Los bolsillos de la máscara acorralaron a los átomos y los alentaron a ensamblarse en la oblea de silicio en la misma orientación monocristalina.

«Ese es un resultado muy impactante», dice Kim. «Tienes un crecimiento monocristalino en todas partes, incluso si no hay una relación epitaxial entre el material 2D y la oblea de silicio».

Con su método de enmascaramiento, el equipo fabricó un transistor TMD simple y demostró que su rendimiento eléctrico era tan bueno como el de una escama pura del mismo material.

También aplicaron el método para diseñar un dispositivo de varias capas. Después de cubrir una oblea de silicio con una máscara estampada, cultivaron un tipo de material 2D para llenar la mitad de cada cuadrado, luego cultivaron un segundo tipo de material 2D sobre la primera capa para llenar el resto de los cuadrados. El resultado fue una estructura bicapa monocristalina ultrafina dentro de cada cuadrado. Kim dice que en el futuro, múltiples materiales 2D podrían crecer y apilarse juntos de esta manera para hacer películas ultrafinas, flexibles y multifuncionales.

“Hasta ahora, no ha habido forma de hacer materiales 2D en forma monocristalina en obleas de silicio, por lo que toda la comunidad ha estado luchando para realizar procesadores de próxima generación sin transferir materiales 2D”, dice Kim. “Ahora hemos resuelto por completo este problema, con una forma de hacer que los dispositivos sean más pequeños que unos pocos nanómetros. Esto cambiará el paradigma de la Ley de Moore”.

Escrito por Jennifer Chu

Fuente: Instituto de Tecnología de Massachusetts

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