La creciente necesidad de capacidades informáticas más potentes, rápidas y eficientes se ha satisfecho con materiales y problemas de ingeniería cada vez más difíciles a medida que continúan los intentos de escalar el rendimiento. Como se publicó en Naturaleza (se abre en una pestaña nueva)los ingenieros del MIT han desarrollado un nuevo proceso de fabricación de silicio que funciona mediante el depósito de transistores atómicamente delgados (ATT) de tres átomos de espesor sobre circuitos de chips ya existentes, esencialmente «haciéndolos crecer» en pilas informáticas de alta densidad y alto rendimiento.
El enfoque novedoso del equipo. se parece a la fabricación aditiva y aplica una capa altamente uniforme de tres átomos de espesor de materiales de dichalcogenuro de metal de transición (TMD) 2D en una oblea de silicio completamente fabricada de 8 pulgadas. Cada nueva capa de TMD permite integraciones más densas entre el chip subyacente y las pilas de transistores añadidas, mejorando el rendimiento con una densidad sin igual.
El material 2D base, el disulfuro de molibdeno, es un material flexible y transparente que cumple todos los requisitos en lo que respecta a la conductividad eléctrica y fotónica, lo que lo convierte en el principal candidato para la construcción de transistores semiconductores. Está compuesto por una capa de un átomo de molibdeno, intercalada entre dos átomos de sulfuro.
Eso es todo lo que se requiere para fabricar un transistor moderno: tres átomos.
Ese es el punto en el que los beneficios de escalamiento realmente comienzan a mostrarse, según Jiadi Zhu, estudiante de posgrado en ingeniería eléctrica e informática y coautor principal del artículo sobre esta nueva técnica. “El uso de materiales 2D es una forma poderosa 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 convencional, no albergará a muchas personas”, dijo Zhu a MIT News. “Pero con más pisos”, agregó, “el edificio albergará a más personas que pueden permitir cosas nuevas y sorprendentes. Gracias a la integración heterogénea en la que estamos trabajando, tenemos silicio como primer piso y luego podemos tener muchos pisos de materiales 2D integrados directamente en la parte superior”.
Algunas actualizaciones cruciales hacen que este nuevo proceso de diseño «crezca» como un posible lugar para la fabricación de chips en el futuro. Por lo general, crecer o depositar capas 2D en una oblea CMOS requiere temperaturas de alrededor de 600 grados centígrados. El problema aquí es que los circuitos de silicio tienden a romperse cuando se someten a temperaturas de 400 grados centígrados o más.
Es importante destacar que el nuevo proceso de «crecimiento» diseñado por el equipo del MIT se desarrolló teniendo en cuenta estas limitaciones. Desarrollaron un proceso de deposición de vapor químico dual que presenta dos cámaras que funcionan a diferentes temperaturas: el precursor de molibdeno permanece en la región de baja temperatura de las cámaras (que permanece por debajo del umbral de 400 grados centígrados que daña los circuitos electrónicos), mientras que el azufre fluye a través la región de alta temperatura (por encima de 550 grados centígrados), descomponiéndose, lo que le permite reaccionar posteriormente con el molibdeno en el proceso de deposición de TMD.
Otra innovación es que, por primera vez, es posible «hacer crecer» los transistores atómicamente delgados como una sola capa continua en todo el chip u oblea de destino. Las técnicas anteriores (y sus limitaciones) condujeron a procesos en los que los investigadores hicieron crecer las capas en un medio diferente, transfiriéndolas al propio chip más adelante en el proceso. Esto a menudo causaba imperfecciones, ya que la capa no se superponía perfectamente con los chips de silicio que eran su destino. Y puede imaginarse la dificultad de alinear las estructuras del chip, casi del tamaño de un átomo, con las propias capas.
A través de las diversas mejoras de proceso logradas por los ingenieros del MIT, que aprovecharon las instalaciones de última generación de MIT.Nano, los investigadores lograron demostrar altos niveles de uniformidad y calidad de la capa en la escala de obleas de 8 pulgadas requerida para los procesos de fabricación modernos. . El trabajo ahora cambia a ser capaz de afinar la técnica y aumentar la cantidad de capas de transistores apiladas mientras se exploran superficies de deposición flexibles alternativas que podrían convertirse en un microcircuito, como polímeros, textiles o incluso papel (piense en procesamiento habilitado). cuadernos, ropa y otras aplicaciones).