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De acuerdo con la Ley de Moore, la cantidad de transistores en un chip se ha duplicado cada año desde la década de 1960. Pero esa trayectoria debería nivelarse pronto a medida que el silicio, la columna vertebral de los transistores modernos, pierde sus propiedades eléctricas una vez que los dispositivos fabricados con este material caen por debajo de un cierto tamaño.
Ingrese a los materiales 2D: delicadas láminas bidimensionales de cristales perfectos tan delgados como un solo átomo. A escala nanométrica, 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 pasar 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 epitaxial», que el equipo utilizó por primera vez para cultivar materiales 2D puros y sin defectos en obleas de silicio industriales.
Con su método, el equipo creó 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 nanoescala.
“Creemos que nuestra tecnología podría permitir el desarrollo de dispositivos electrónicos de próxima generación basados en semiconductores 2D de alto rendimiento”, dice Jeehwan Kim, profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT. «Hemos desbloqueado una forma de ponernos al día con la Ley de Moore usando materiales 2D».
Kim y sus colegas detallan su método en un artículo publicado hoy en La naturaleza. Los coautores del estudio en el 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, así como colaboradores de la Universidad de Texas en Dallas. , la Universidad de California en Riverside, la Universidad de Washington en Saint Louis e instituciones en toda Corea del Sur.
Un mosaico de cristal
Para producir el material 2D, los investigadores generalmente utilizaron un proceso manual en el que 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. Todos los electrones que pasan a través de un cristal se detienen repentinamente cuando se encuentran con un cristal de diferente orientación, 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 hacer materiales 2D, haciéndolos crecer en rodajas de zafiro, un material con un patrón hexagonal de átomos que anima a los materiales 2D a unirse 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 andamiaje 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 impiden la conductividad.
«Se considera casi imposible cultivar materiales 2D monocristalinos en silicio», dice Kim. “Ahora te mostramos que puedes. Y nuestro truco es evitar la formación de límites de grano.
Bolsillos de semillas
El nuevo «crecimiento monocristalino no epitaxial» del equipo no requiere pelar ni buscar fragmentos 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 través de la oblea de silicio. Pero Kim y sus colegas encontraron una manera de alinear cada cristal en crecimiento para crear regiones de un solo cristal en toda la oblea.
Para hacer esto, 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, hicieron circular un gas de átomos que se asentaron en cada bolsillo para formar un material 2D, en este caso, un TMD. Los bolsillos de la máscara agruparon los átomos y los alentaron a ensamblarse en la oblea de silicio en la misma orientación monocristalina.
«Es un resultado muy impactante», dijo Kim. «Hay un crecimiento de cristal único en todas partes, aunque no existe 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 multicapa. Después de recubrir 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 en cada cuadrado. Kim dice que, en el futuro, se podrían desarrollar y apilar múltiples materiales 2D de esta manera para crear películas ultrafinas, flexibles y multifuncionales.
«Hasta ahora, no había forma de fabricar materiales 2D en forma de monocristal en obleas de silicio, razón por la cual toda la comunidad casi ha dejado de buscar materiales 2D para los procesadores de próxima generación», 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.
Esta investigación fue apoyada en parte por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de EE. UU., Intel, el programa IARPA MicroE4AI, MicroLink Devices, Inc., ROHM Co. y Samsung.
