De acuerdo con la Ley de Moore, la cantidad de transistores en un chip electrónico se ha duplicado anualmente desde la década de 1960. Pero se espera que este camino se estabilice pronto porque el silicio, la columna vertebral de los transistores modernos, pierde sus propiedades eléctricas una vez que los dispositivos hechos de este material caen por debajo de cierto tamaño.
Ingrese a los materiales 2D: pequeñas láminas 2D de cristales perfectos tan delgados como un solo átomo. A escala nanométrica, los materiales 2D pueden conducir electrones de manera mucho más eficiente 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 materiales bidimensionales, los científicos primero deben encontrar una manera de diseñar el material en obleas de silicio estándar de la industria mientras mantienen su forma cristalina perfecta. Los ingenieros del MIT ahora pueden tener una solución.
Al depositar átomos en una oblea cubierta con una «máscara» (arriba a la izquierda), los ingenieros del MIT pueden colocar átomos en los bolsillos individuales de la máscara (centro), alentando a los átomos a crecer hasta convertirse en capas bidimensionales y monocristalinas perfectas (abajo derecho).
Créditos: Cortesía de los investigadores. Editado por MIT News.
El equipo ha desarrollado un método que podría permitir a los fabricantes de chips fabricar transistores cada vez más pequeños a partir de materiales bidimensionales cultivándolos en obleas de silicio y otros materiales existentes. El nuevo método es una forma de «crecimiento axial de un solo cristal», que el equipo ha utilizado por primera vez para hacer crecer materiales 2D puros e impecables en obleas de silicio industriales.
La conductividad eléctrica es mejor que la silicona.
Usando su método, el equipo hizo un transistor funcional simple a partir de un tipo de material 2D llamado diodos de calcógeno de metales de transición, o TMD, que se sabe que conducen la electricidad mejor que el silicio a escalas nanométricas.
«Esperamos que nuestra tecnología permita el desarrollo de dispositivos electrónicos 2D basados en semiconductores de alto rendimiento», dice Jihwan Kim, profesor asistente de ingeniería mecánica en el MIT. «Hemos abierto una manera de mantenernos al día con la Ley de Moore mediante el uso de materiales bidimensionales».
Kim y sus colegas detallan su método en un archivo. papel aparecen hoy en la naturaleza. Los coautores 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 St. Louis e instituciones en Corea del Sur.
mezcla de cristales
Para producir el material bidimensional, los investigadores generalmente utilizaron un proceso manual en el que los copos de maíz delgados se pelan cuidadosamente de un material a granel, de manera muy similar a pelar las capas de una cebolla.
Pero la mayoría de los materiales a granel son policristalinos y contienen múltiples cristales que crecen en direcciones aleatorias. Cuando un cristal se encuentra con otro, el «límite de grano» actúa como una barrera eléctrica. Todos los electrones que fluyen a través de un cristal se detienen abruptamente cuando se encuentran con un cristal con una orientación diferente, lo que amortigua la conductividad del material. Incluso después de retirar la oblea bidimensional, los investigadores deben buscar regiones de «cristal único» en la oblea, un proceso laborioso y lento que es difícil de aplicar a niveles industriales.
Recientemente, los investigadores han encontrado otras formas de hacer materiales bidimensionales, haciéndolos crecer en escamas de zafiro, un material con un patrón hexagonal de átomos que fomenta que los materiales bidimensionales se agreguen en la misma orientación monocristalina.
materiales 2D sobre silicio
«Pero nadie usa zafiro para la memoria o la lógica», dice Kim. «Toda la infraestructura se basa en silicio. Para procesar semiconductores, es necesario utilizar obleas de silicio».
Sin embargo, las obleas de silicio carecen de un andamio de soporte de zafiro hexagonal. Cuando los investigadores intentan hacer crecer materiales 2D en silicio, el resultado es un revoltijo aleatorio de cristales que se fusionan al azar, formando muchos límites de granos que impiden la conducción.
“Se considera casi imposible cultivar materiales monocristalinos 2D en silicio”, dice Kim. «Ahora demostramos que se puede. Y nuestro truco consiste en evitar que se formen límites de grano».
bolsillos de semillas
El «crecimiento desenfocado de un solo cristal» del equipo no requiere pelar y sondear escamas de un material bidimensional. En cambio, los investigadores utilizaron métodos tradicionales de deposición de vapor para bombear átomos a través de una oblea de silicio. Los átomos finalmente se asientan en la oblea y se nuclean, creciendo en orientaciones de cristal bidimensionales. Si se deja solo, cada «núcleo», o semilla de cristal, crecería en direcciones 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 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 grabaron en pequeños bolsillos, cada uno diseñado para atrapar una semilla de cristal. A través de la oblea enmascarada, luego transmitieron una corriente de gas de átomos que se asentaron en cada bolsillo para formar un material bidimensional, en este caso, TMD. Los bolsillos de la máscara rodeaban los átomos y los animaban a acumularse en la oblea de silicio en la misma orientación que el monocristal.
Hacer un transistor TMD es simple
«Este es un resultado muy impactante”, dice Kim. «Tienes un crecimiento monocristalino en todas partes, incluso si no hay una metarrelación entre el material bidimensional y la oblea de silicio».
Utilizando 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 cubrir una oblea de silicona con una máscara estampada, cultivaron un tipo de material 2D para rellenar la mitad de cada cuadrado, luego cultivaron un segundo tipo de material 2D encima de la primera capa para rellenar el resto de los cuadrados. El resultado fue una estructura monocapa-bicapa extremadamente delgada dentro de cada cuadrado. En el futuro, dice Kim, se pueden desarrollar y unir múltiples materiales 2D de esta manera para hacer películas ultrafinas, flexibles y multifuncionales.
Investigación avanzada de defensa de EE. UU.
«Hasta ahora, no había forma de convertir materiales 2D en una sola forma cristalina en obleas de silicio, por lo que toda la comunidad ha estado luchando para lograr procesadores de próxima generación sin transferir materiales 2D», dice Kim. «Ahora hemos resuelto completamente este problema, de una manera que hace 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 y MicroLink Devices, Inc. , ROHM y Samsung.
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