Ingenieros del MIT ‘cultivan’ un transistor del grosor de un átomo

CAMBRIDGE, MA — Las aplicaciones emergentes de IA, como los chatbots que generan lenguaje humano natural, requieren chips informáticos más densos y potentes. Pero los chips semiconductores están hechos tradicionalmente de materiales a granel, que son estructuras tridimensionales de forma cuadrada, por lo que es muy difícil apilar varias capas de transistores para crear integraciones más densas.

Sin embargo, los transistores semiconductores fabricados con materiales bidimensionales ultradelgados, cada uno con un grosor de solo tres átomos, se pueden apilar para producir chips aún más potentes. Con ese fin, los investigadores del MIT ahora han demostrado una nueva técnica que puede «hacer crecer» de manera efectiva y eficiente capas de capas bidimensionales de materiales de calcogenuro disódico de metal de transición (TMD) sobre una oblea de silicio completamente fabricada para permitir integraciones más intensivas.

El cultivo de materiales 2D directamente en un chip CMOS de silicio plantea un desafío importante porque el proceso generalmente requiere temperaturas de alrededor de 600 °C, mientras que los transistores y circuitos de silicio pueden funcionar mal cuando se calientan por encima de los 400 °C. Ahora, el equipo multidisciplinario de investigadores del MIT ha desarrollado un proceso de crecimiento a baja temperatura que no daña el chip. Esta tecnología permite que los transistores semiconductores 2D se integren directamente sobre los circuitos de silicio estándar.

En el pasado, los investigadores desarrollaron materiales 2D en otros lugares y luego los transfirieron a un chip u oblea. Esto a menudo provoca defectos que impiden el rendimiento de los dispositivos y circuitos finales. Además, mover materiales suavemente se vuelve muy difícil en una báscula de obleas. Por el contrario, este nuevo proceso produce una capa muy suave y uniforme en toda una oblea de 8 pulgadas.

La nueva tecnología también puede reducir significativamente el tiempo que lleva cultivar estos materiales. Mientras que los métodos anteriores requerían más de un día para hacer crecer una sola capa de material 2D, el nuevo enfoque puede hacer crecer una capa uniforme de material TMD en menos de una hora en obleas completas de 8 pulgadas.

Debido a su alta velocidad y alta uniformidad, la nueva técnica permitió a los investigadores fusionar con éxito una capa 2D de material en superficies mucho más grandes que las demostradas anteriormente. Esto hace que su método sea más adecuado para su uso en aplicaciones comerciales, donde los chips de 8 pulgadas o más son clave.

«El uso de materiales 2D es una forma efectiva de aumentar la densidad de un circuito integrado. Lo que estamos haciendo es como construir un edificio de varios pisos. Si solo tiene un piso, que es el caso tradicional, no acomodará muchos personas Pero con más pisos, el edificio acomodará Más personas pueden permitir nuevas cosas increíbles.Gracias a la integración heterogénea en la que estamos trabajando desde un papel sobre esta nueva tecnología.

Cho escribió el artículo con el coautor principal Ji-Hoon Park, investigador postdoctoral en el MIT. Autores para correspondencia Jing Kong, Profesor de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación (EECS) y miembro del Laboratorio de Investigación Electrónica; Thomas Palacios, Catedrático de la EECS y Director de Laboratorios de Tecnología de Microsistemas (MTL); Además de otros en MIT, MIT Lincoln Laboratory, Oak Ridge National Laboratory y Ericsson Research. El diario aparece hoy. Nanotecnología de la naturaleza.

Materiales finos con gran potencial

El material bidimensional en el que se centraron los investigadores, el disulfuro de molibdeno, es flexible, transparente y exhibe fuertes propiedades electrónicas y fotónicas que lo hacen ideal para un transistor semiconductor. Consiste en una capa de un átomo de molibdeno intercalado entre dos átomos de sulfuro.

El crecimiento de películas delgadas de disulfuro de molibdeno sobre una superficie con buena uniformidad a menudo se logra mediante un proceso conocido como Deposición de vapor químico metal-orgánico (MOCVD). El hexacarbonilo de molibdeno y el azufre de dietilen, dos compuestos químicos orgánicos que contienen átomos de molibdeno y azufre, se vaporizan y se calientan dentro de la cámara de reacción, donde se «descomponen» en partículas más pequeñas. Luego, la unión se lleva a cabo a través de reacciones químicas para formar cadenas de disulfuro de molibdeno en la superficie.

Pero la descomposición de los compuestos de molibdeno y azufre, conocidos como precursores, requiere temperaturas superiores a los 550 grados centígrados, mientras que los circuitos de silicio comienzan a degradarse cuando las temperaturas superan los 400 grados.

Entonces, los investigadores comenzaron a pensar fuera de la caja: diseñaron y construyeron un horno completamente nuevo para un proceso de deposición de vapor químico metal-orgánico.

El horno consta de dos cámaras, una zona de baja temperatura en la parte delantera, donde se coloca la oblea de silicio, y una zona de alta temperatura en la parte trasera. El molibdeno evaporado y el precursor de azufre se bombean al horno. El molibdeno permanece en la región de baja temperatura, donde la temperatura se mantiene por debajo de los 400 °C, lo suficientemente caliente como para descomponer el molibdeno, pero no tanto como para dañar la oblea de silicio.

Los precursores de azufre fluyen hacia la región de alta temperatura, donde se descomponen. Luego fluye de regreso a la región de temperatura más baja, donde tiene lugar la reacción química del crecimiento de disulfuro de molibdeno en la superficie de la oblea.

«Puede pensar en la descomposición como hacer pimienta negra: tiene un grano de pimienta entero y lo muele hasta convertirlo en polvo. Entonces, molimos la pimienta y la molemos en la zona de alta temperatura, y luego el polvo fluye de regreso a la parte inferior». zona de temperatura”, explica Zhou.

Crecimiento más rápido y mejor consolidación

Un problema con este proceso es que los circuitos de silicio generalmente tienen aluminio o cobre como capa superior para que el chip se pueda unir a un paquete o bus antes de instalarlo en una placa de circuito impreso. Pero el azufre hace que estos minerales se sulfaten, de la misma manera que algunos minerales se oxidan cuando se exponen al oxígeno, destruyendo su conductividad. Los investigadores evitaron la sulfuración aplicando primero una capa muy fina de material pasivante sobre el portaobjetos. Luego, después de eso, pueden abrir la capa de pasivación para hacer conexiones.

También colocaron la oblea de silicio en la zona de baja temperatura del horno de forma vertical, en lugar de horizontal. Al colocarlo verticalmente, ninguno de los extremos está demasiado cerca de un área de alta temperatura, por lo que el calor no daña ninguna parte de la oblea. Además, las moléculas de gas de molibdeno y azufre se arremolinaron cuando golpearon la escama vertical, en lugar de fluir sobre una superficie horizontal. Este efecto de circulación mejora el crecimiento del disulfuro de molibdeno y conduce a una mejor homogeneidad de los materiales.

Además de producir una capa más uniforme, su método también fue mucho más rápido que otros procesos MOCVD. Una capa puede crecer en menos de una hora, mientras que el proceso de crecimiento de MOCVD lleva al menos un día completo.

Usando la última tecnología Instituto de Nanotecnología de Massachusetts En las instalaciones, han podido demostrar una alta cohesión y calidad del material en una oblea de silicio de 8 pulgadas, lo que es particularmente importante para aplicaciones industriales donde se requieren obleas más grandes.

«Al acortar el tiempo de crecimiento, el proceso es más eficiente y se puede integrar más fácilmente en las fabricaciones industriales. Además, este es un proceso de temperatura más baja que es compatible con el silicio y podría ser útil para hacer avanzar los materiales bidimensionales en el futuro». industria de semiconductores «, dice. Zhou dice.

En el futuro, los investigadores quieren refinar su técnica y usarla para hacer crecer muchas capas apiladas de transistores 2D. Además, quieren explorar el uso de un proceso de crecimiento a baja temperatura para superficies flexibles, como polímeros, textiles o incluso papeles. Esto podría permitir que los semiconductores se integren en objetos cotidianos, como ropa o computadoras portátiles.

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Este trabajo está financiado en parte por el Instituto MIT para Nanotecnologías de Soldados, el Centro de Materiales Cuánticos Integrados de la Fundación Nacional de Ciencias, Ericsson, MITRE, la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU. y el Departamento de Energía de EE. UU. El proyecto también se benefició del apoyo del TSMC University Shuttle.