MIT: messo a punto un metodo innovativo per creare transistor con materiali diversi dal silicio

Al MIT di Boston hanno messo a punto un metodo che potrebbe consentire ai produttori di semiconduttori di fabbricare transistor basati su materiali 2D facendoli crescere su wafer di silicio e altri materiali. La portata di questa innovazione potrebbe essere notevole, visto che la miniaturizzazione sempre più spinta sta portando il silicio ai suoi limiti fisici, cioè a perdere le sue buone proprietà elettriche che l'hanno reso il materiale alla base dell'elettronica.

Per questo il mondo dell'elettronica guarda ai materiali 2D, fogli bidimensionali cristallini spessi quanto un singolo atomo. "Nella scala nanometrica, i materiali 2D possono condurre gli elettroni in modo molto più efficiente del silicio", spiegano i ricercatori del MIT. Per questo motivo l'obiettivo è quello di trovare un modo per "ingegnerizzare i materiali su wafer di silicio standard preservando la loro perfetta forma cristallina". Ed è proprio quello che sono riusciti a fare al prestigioso ateneo statunitense.

Il nuovo metodo è una forma di "crescita non epitassiale, monocristallina", che il team ha usato per la prima volta per coltivare materiali 2D puri e privi di difetti su wafer di silicio industriali. I ricercatori sono riusciti a fabbricare un semplice transistor funzionale da un tipo di materiali 2D chiamati dicalcogenuri di metalli di transizione, o TMD, capaci di condurre l'elettricità meglio del silicio in scala nanometrica.

Depositando gli atomi su un wafer rivestito con una maschera (in alto a sinistra), gli ingegneri del MIT possono raggruppare gli atomi nelle singole tasche (al centro) e incoraggiare gli atomi a crescere in strati monocristallini 2D perfetti (in basso a destra).

"Prevediamo che la nostra tecnologia possa consentire lo sviluppo di dispositivi elettronici di nuova generazione basati su semiconduttori 2D, ad alte prestazioni", ha dichiarato Jeehwan Kim, professore associato di ingegneria meccanica al MIT. "Abbiamo sbloccato un modo per tenere il passo della legge di Moore usando materiali 2D".

Lo studio è stato pubblicato su Nature e, oltre al team del MIT, ha visto il coinvolgimento di studiosi della University of Texas di Dallas, della University of California di Riverside, della Washington University di Saint Louis e vari istituzioni in Corea del Sud. Da sottolineare che, tra i finanziatori, trovano posto anche Intel e Samsung.

La produzione di un materiale 2D ha richiesto finora un processo manuale mediante il quale una lamina sottile come un atomo viene accuratamente esfoliata da un materiale sfuso, in modo simile a ciò che avviene in cucina rimuovendo gli strati di una cipolla.

La maggior parte dei materiali sfusi, tuttavia, è policristallina, ossia presenta più cristalli che crescono in orientamenti casuali. Il punto d'incontro tra un cristallo e l'altro, a causa dell'orientamento differente, crea una barriera elettrica e impedisce agli elettroni di fluire. Questo impone ai ricercatori di procedere ad analisi alla ricerca di regioni monocristalline, un processo noioso e lungo inapplicabile alle necessità industriali.

Di recente i ricercatori hanno trovato altri modi per fabbricare materiali 2D, facendoli crescere su wafer di zaffiro, un materiale dotato di uno schema di atomi esagonale che incoraggia i materiali 2D ad assemblarsi nello stesso orientamento monocristallino. "Ma nessuno usa lo zaffiro nell'industria della memoria o della logica", ha spiegato Kim. "Tutta l'infrastruttura è basata sul silicio. Per la lavorazione dei semiconduttori, è necessario utilizzare wafer di silicio".

I wafer di silicio però non presentano "l'impalcatura esagonale di supporto" offerta dallo zaffiro, quindi come fare? Con un trucco che impedisce la formazione delle barriere. I ricercatori del MIT hanno usato un approccio differente che prevede l'uso di metodi convenzionali di deposizione da vapore per "pompare" atomi lungo un wafer di silicio.

"Gli atomi alla fine si depositano sul wafer e si nucleano, crescendo in orientamenti cristallini bidimensionali", spiega il MIT. Se lasciato da solo, ogni nucleo crescerebbe con orientamenti casuali attraverso il wafer di silicio. Ma Kim e i suoi colleghi hanno trovato un modo per allineare ogni cristallo in crescita per creare regioni monocristalline lungo l'intero wafer.

Dapprima hanno ricoperto il wafer di silicio con una "maschera", un rivestimento di biossido di silicio che hanno modellato in minuscole tasche, ciascuna progettata per intrappolare un nucleo. Poi, hanno fatto fluire un gas di atomi che si è depositato in ciascuna tasca per formare un materiale 2D, in questo caso un TMD. Sono proprio le tasche le protagonistiche di questo metodo, perché consentono ai materiali 2D di assemblarsi sul wafer di silicio nello stesso orientamento monocristallino.

"Ottieni una crescita monocristallina anche se non c'è alcuna relazione epitassiale tra il materiale 2D e il wafer di silicio", ha spiegato Kim. In questo modo il team ha fabbricato un semplice transistor TMD e ha dimostrato che le sue prestazioni elettriche erano buone quanto quelle di una scaglia pura dello stesso materiale. Hanno anche applicato il metodo per progettare un dispositivo multistrato.

"Finora non c'era modo di realizzare materiali 2D in forma monocristallina su wafer di silicio, quindi l'intera comunità ha quasi rinunciato a perseguire l'uso dei materiali 2D per i processori di nuova generazione", ha dichiarato il professore. "Ora abbiamo risolto completamente questo problema, con un modo per realizzare dispositivi più piccoli di pochi nanometri. Questo cambierà il paradigma della Legge di Moore".