Chip sempre più potenti? Il MIT ha capito come unire materiali 2D e silicio

Al MIT di Boston continuano a lavorare su nuove tecniche che consentano di ottenere semiconduttori più potenti per sostenere le richieste di un settore, quello tecnologico, dove l'avvento di applicazioni di intelligenza artificiale più sofisticate impongono grande potenza di calcolo in poco spazio e, se possibile, con consumi limitati.

Attraverso uno studio (Nature) che ne ricorda un altro di cui vi avevamo riportato a gennaio, presso l'ateneo tecnologico hanno dimostrato "una nuova tecnologia in grado di far crescere in modo efficace ed efficiente strati di materiali bidimensionali TMD (dicalcogenuri dei metalli di transizione) direttamente sopra un chip di silicio per favorire integrazioni più dense".

In genere i semiconduttori sono fatti di materiali "bulk", composti da strutture squadrate tridimensionali che non rendono semplice impilare più strati di transistor per creare soluzioni più dense. Al contrario, i transistor semiconduttori realizzati con materiali bidimensionali ultrasottili, caratterizzati da uno spessore di solo tre atomi, possono essere impilati per creare chip più potenti. Ed è proprio ciò che consente di fare una tecnica messa a punto al MIT.

Lo specializzando Jiadi Zhu con un wafer CMOS da 8 pollici con un film sottile di bisolfuro di molibdeno.

Far crescere materiali 2D direttamente su un wafer di silicio CMOS ha finora rappresentato una grande sfida perché il processo, in genere, richiede temperature di circa 600 °C, mentre i transistor in silicio e i circuiti possono rompersi se riscaldati oltre i 400 °C.

Il team di ricercatori del MIT ha sviluppato un processo di crescita a bassa temperatura che non danneggia il chip. La tecnologia consente l'integrazione diretta di transistor a semiconduttore 2D su circuiti in silicio standard.

In passato, i ricercatori coltivavano altrove i materiali 2D per poi trasferirli su un chip o un wafer. Un modus operandi che, però, nascondeva dei problemi: causava l'insorgenza di imperfezioni deleterie per le prestazioni dei dispositivi e dei circuiti finali. Inoltre, il trasferimento del materiale sulle dimensioni di un wafer era estremamente difficile. Al contrario, il nuovo processo permette di ottenere uno strato liscio e altamente uniforme su un wafer da 8 pollici.

La nuova tecnologia è anche in grado di ridurre significativamente il tempo necessario per far crescere questi materiali: se gli approcci precedenti richiedevano più di un giorno per far crescere un singolo strato di materiali 2D, il nuovo sistema può far crescere uno strato uniforme di materiale TMD in meno di un'ora su wafer da 8 pollici.

Tutte queste caratteristiche positive hanno consentito ai ricercatori di integrare con successo uno strato di materiale 2D su superfici molto più grandi di quanto precedentemente dimostrato. Il metodo si è quindi dimostrato adatto ad applicazioni commerciali.

"L'uso di materiali 2D è un modo efficace per aumentare la densità di un circuito integrato. Quello che stiamo facendo è come costruire un edificio a più piani. Se hai un solo piano, che è il caso convenzionale, non puoi contenere molte persone. Ma con più piani, l'edificio ospiterà più persone che potranno consentire cose nuove e sorprendenti. Grazie all'integrazione eterogenea, abbiamo il silicio come primo piano e poi possiamo avere molti piani di materiali 2D integrati direttamente sopra", ha spiegato Jiadi Zhu, co-autore dello studio.

I ricercatori si sono concentrati su un materiale 2D chiamato disolfuro di molibdeno, noto per essere flessibile, trasparente e con ottime proprietà elettroniche e fotoniche che lo rendono ideale per un transistor semiconduttore. È composto da uno strato di un atomo di molibdeno inserito tra due atomi di solfuro.

La crescita di film sottili di bisolfuro di molibdeno su una superficie con una buona uniformità viene ottenuta solitamente tramite un processo noto come deposizione chimica da vapore metallo-organico (MOCVD). Il molibdeno esacarbonile e il dietilene zolfo, due composti chimici organici che contengono atomi di molibdeno e zolfo, vaporizzano e vengono riscaldati all'interno della camera di reazione, dove si "decompongono" in molecole più piccole. Quindi si collegano attraverso reazioni chimiche per formare catene di bisolfuro di molibdeno su una superficie.

La decomposizione di questi composti di molibdeno e zolfo, noti come precursori, richiede però temperature superiori a 550 °C, mentre i circuiti di silicio iniziano a degradarsi quando le temperature superano i 400 °C. I ricercatori hanno quindi ideato e realizzato un nuovo forno per il processo di deposizione chimica da vapore metallo-organico.

Il forno è costituito da due camere, una zona a bassa temperatura nella parte anteriore, dove è posizionato il wafer di silicio, e una regione ad alta temperatura nella parte posteriore. I precursori di molibdeno e zolfo vaporizzati vengono immessi nel forno. Il molibdeno rimane nella regione a bassa temperatura (sotto i 400 °C), abbastanza calda da decomporre il precursore del molibdeno ma non così calda da danneggiare il chip di silicio.

Il precursore dello zolfo raggiunge invece la regione ad alta temperatura, dove si decompone, per poi rifluire nella regione a bassa temperatura dove avviene la reazione chimica per far crescere il bisolfuro di molibdeno sulla superficie del wafer.

"Puoi pensare alla decomposizione come al processo con cui si ottiene il pepe nero: hai un granello di pepe intero e lo macini in polvere. Quindi, frantumiamo e maciniamo il pepe nella regione ad alta temperatura, quindi la polvere rifluisce nella regione a bassa temperatura", ha aggiunto Zhu.

Poiché i circuiti in silicio presentano in genere alluminio o rame come strato superiore per consentirne il collegamento al package, i ricercatori hanno dovuto affrontare un altro problema. Lo zolfo provoca infatti la solforazione di questi metalli, processo che ne distrugge la conduttività. I ricercatori hanno impedito la solforazione depositando uno strato molto sottile di materiale di passivazione sopra il chip, il quale può essere successivamente rimosso per consentire connessioni.

Superati tutti gli ostacoli, i ricercatori sono stati in grado di dimostrare un'elevata uniformità e qualità del materiale su un wafer di silicio da 8 pollici. "Abbreviando i tempi di crescita, il processo è molto più efficiente e potrebbe essere integrato più facilmente nelle produzioni industriali. Inoltre, si tratta di un processo a bassa temperatura compatibile con il silicio, che può essere utile per spingere ulteriormente i materiali 2D nell'industria dei semiconduttori", ha concluso Zhu.

I ricercatori stanno ora lavorando per perfezionare la tecnica e usarla per far crescere molti strati sovrapposti di transistor 2D. Inoltre, vogliono verificare l'uso del processo di crescita a bassa temperatura su superfici flessibili, come polimeri, tessuti o persino carta. L'obiettivo è quello di integrare i semiconduttori su oggetti d'uso quotidiano come i vestiti o i quaderni.