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.

Los materiales atómicamente delgados como el grafeno son moléculas individuales en las que todos los enlaces químicos están orientados de modo que la molécula resultante forma una lámina. Estos a menudo tienen propiedades electrónicas distintivas que potencialmente pueden permitir la producción de productos electrónicos con características increíblemente pequeñas de solo un par de átomos de espesor. Y ha habido una serie de ejemplos de hardware funcional construido a partir de estos materiales bidimensionales.

Pero casi todos los ejemplos hasta ahora han utilizado una construcción a medida, a veces involucrando a investigadores que manipulan a mano escamas individuales de material. Así que no estamos en el punto en que podamos fabricar en masa componentes electrónicos complicados con estos materiales. Pero un artículo publicado hoy describe un método para producir transistores a escala de oblea basados ​​en materiales bidimensionales. Y los transistores resultantes funcionan de manera más consistente que los fabricados con enfoques de fabricación más tradicionales.

Mejor fabricación

La mayoría de los esfuerzos realizados para facilitar la producción de productos electrónicos basados ​​en materiales atómicamente delgados han implicado la integración de estos materiales en las técnicas tradicionales de fabricación de semiconductores. Eso tiene sentido porque estas técnicas nos permiten realizar manipulaciones de materiales a una escala increíblemente fina en grandes volúmenes. Por lo general, esto ha significado que gran parte del cableado de metal necesario para la electrónica se realiza mediante la fabricación tradicional. Luego, el material 2D se coloca en capas sobre el metal y se realiza un procesamiento adicional para formar transistores funcionales.

A menudo, ese «procesamiento adicional» implica colocar capas de metal sobre el material 2D. Este método, argumentan los investigadores detrás del trabajo, probablemente no sea la mejor manera de hacer las cosas. Depositar el metal puede dañar el material 2D y algunos átomos de metal individuales pueden potencialmente difundirse en el material 2D, creando pequeños cortocircuitos dentro de la característica más grande. Todo eso degrada el rendimiento de cualquier circuito construido usando la técnica.

Entonces, el equipo descubrió una manera de formar todas las partes individuales del circuito por separado y las unió en condiciones suaves. La parte más simple fue formar las puertas de los transistores, que simplemente se modelaron sobre un sustrato sólido y luego se recubrieron con óxido de aluminio.

Por separado, el equipo formó una lámina uniforme de un material atómicamente delgado (disulfuro de molibdeno) sobre una superficie de dióxido de silicio mediante deposición química de vapor. Luego, esa hoja se levantó y se transfirió sobre el óxido de aluminio, lo que resultó en una capa atómicamente delgada de semiconductor que se asienta sobre la puerta. Para formar un transistor, a los investigadores solo les faltaban los electrodos fuente y drenaje.

Esos se hicieron completamente por separado formando todo el cableado sobre una superficie sólida. Luego, el cableado se incrustó en un polímero y se despegó todo de la superficie, creando una lámina de polímero con los cables incrustados en su superficie inferior. Por sí solo, este polímero es lo suficientemente flexible como para estirarse o distorsionarse y, por lo tanto, el cableado no se alinearía con las puertas, como se necesita para formar circuitos funcionales. Para limitar estas distorsiones, los investigadores vincularon el polímero a una lámina de cuarzo antes de estamparlo sobre la oblea cubierta con electrodos de compuerta. Esto depositó el cableado directamente sobre el disulfuro de molibdeno, completando la formación de transistores funcionales.

Una vez que todo estuvo en su lugar, el polímero se pudo eliminar en condiciones suaves y cualquier exceso de material se pudo cortar mediante grabado con plasma. El resultado fue una colección de transistores donde la conexión del semiconductor a la fuente y los electrodos de drenaje simplemente se formaron al colocar físicamente los materiales uno al lado del otro. Esto limita la posibilidad de daño al material semiconductor atómicamente delgado.

Mejor interpretación

Si bien todo el procesamiento necesario aquí es mucho más suave que la fabricación típica de semiconductores, esa fabricación simplifica las cosas al formar todas las características donde finalmente se necesitan. Para que este enfoque funcione, los electrodos de fuente y drenaje se fabrican por separado de la compuerta y deben colocarse en su lugar después. Para circuitos con características pequeñas, eso requiere una alineación increíblemente precisa.

Eso… no siempre funcionó. Hubo una serie de casos en los que toda la colección de electrodos terminó desalineada, generalmente debido a un ligero giro cuando se colocaron en su lugar. Esto es algo que potencialmente se puede mejorar, pero es probable que siga siendo un desafío.

La buena noticia es que cuando funcionó, funcionó muy bien; los dispositivos funcionaron de manera mucho más consistente que los producidos usando técnicas más típicas. Y según la mayoría de las medidas, se desempeñaron significativamente mejor. El voltaje en los estados encendido y apagado difería en nueve órdenes de magnitud. La fuga en el estado apagado también fue muy baja.

En términos más generales, el enfoque funcionó. Los investigadores pudieron construir circuitos funcionales en la totalidad de una oblea de 2 pulgadas, incluidas unidades de medio sumador, un componente esencial del hardware computacional. Entonces, aunque esto claramente todavía está en la fase de demostración, la demostración es de hardware que potencialmente podría usarse.

Eso no significa que el disulfuro de molibdeno esté en la vía rápida para reemplazar al silicio. Décadas de experiencia han hecho posible hacer cosas increíblemente sofisticadas con circuitos de silicio. Pero sí significa que la gente está empezando a desarrollar los conjuntos de herramientas que algún día podrían hacer que los materiales 2D sean un competidor viable del silicio.

nanotecnología de la naturaleza, 2023. DOI: 10.1038/s41565-023-01342-1

Desde el aislamiento del grafeno, hemos identificado una serie de materiales que forman láminas atómicamente delgadas. Al igual que el grafeno, algunas de estas láminas están compuestas por un solo elemento; otros se forman a partir de productos químicos donde los enlaces atómicos crean naturalmente una estructura similar a una lámina. Muchos de estos materiales tienen propiedades distintas. Si bien el grafeno es un excelente conductor de electricidad, varios otros son semiconductores. Y es posible ajustar aún más sus propiedades en función de cómo organice las capas de una pila de varias hojas.

Dadas todas esas opciones, no debería sorprender a nadie que los investigadores hayan descubierto cómo hacer componentes electrónicos con estos materiales, incluida la memoria flash y los transistores más pequeños jamás fabricados, según algunas medidas. Sin embargo, la mayoría de estos son demostraciones de la capacidad de fabricar el hardware; no están integrados en un dispositivo útil. Pero un equipo de investigadores ahora ha demostrado que es posible ir más allá de las simples demostraciones mediante la construcción de un sensor de imágenes de 900 píxeles utilizando un material atómicamente delgado.

hacer fotos

La mayoría de los sensores de imagen consisten actualmente en semiconductores de silicio estándar, fabricados utilizando los procesos habituales de semiconductores de óxido de metal complementario (CMOS). Pero es posible reemplazar el silicio con otro semiconductor. En este caso, los investigadores utilizaron disulfuro de molibdeno, un material atómicamente delgado que se ha utilizado mucho en dispositivos experimentales.

Para usar esto en un dispositivo, los investigadores comenzaron cultivando una lámina de una sola capa de disulfuro de molibdeno en un sustrato de zafiro mediante deposición de vapor. Luego se levantó del zafiro y se bajó sobre una superficie de dióxido de silicio previamente hecha que ya tenía algunos cables grabados. Luego se depositó más cableado en la parte superior.

El resultado final de este proceso fue una cuadrícula de dispositivos de 30 por 30, donde cada dispositivo consta de una fuente y un electrodo de drenaje conectados por una lámina de disulfuro de molibdeno. Cuando están iluminados, cada uno de estos dispositivos recogería cargas perdidas, lo que afectaría su capacidad de transmitir corriente entre la fuente y los electrodos de drenaje. Esa diferencia en la resistencia proporciona una medida de la cantidad de luz a la que se expuso el dispositivo, lo que permite reconstruir la información de la imagen.

Si bien las cargas que se acumulan después de la exposición a la luz desaparecerán lentamente por sí solas, la mayoría de los dispositivos las eliminan activamente aplicando un fuerte voltaje entre la fuente y los electrodos de drenaje.

Bueno y malo

Al comparar esto con un sensor de silicio estándar, es una historia un poco mixta: mejor en algunos aspectos, notablemente peor en otros. En el lado bueno, los dispositivos requieren muy poca energía para funcionar; los investigadores estiman que se necesita menos de un picojulio por píxel durante las operaciones. Restablecer el dispositivo sigue siendo un proceso simple de aplicar una gran diferencia de voltaje a través de la lámina de disulfuro de molibdeno.

Los investigadores descubrieron que la aplicación de un voltaje mucho más pequeño a través del disulfuro de molibdeno podría sensibilizarlo a la luz. Esto permite un ajuste simple de la sensibilidad de señal a ruido de los sensores de imagen mientras están en funcionamiento. Normalmente, esto requiere una buena cantidad de circuitos externos en hardware de imagen basado en silicio, con el correspondiente aumento en la complejidad de fabricación y el uso de energía durante la imagen. Entonces, este dispositivo ofrece un par de ventajas.

Lo que no ofrece es velocidad. Si bien la respuesta inicial a la luz se puede registrar en tan solo 100 nanosegundos, una exposición completa de alto contraste toma segundos, por color. Entonces, una exposición azul toma más de dos segundos y el canal rojo necesita casi 10 segundos para una exposición completa. Por lo tanto, no espere usar esto para capturar algunos videos rápidos en su teléfono celular.

Por supuesto, esto no significa que sea inútil; simplemente limita para qué es útil. Hay muchas aplicaciones en las que la energía es una limitación más significativa que el tiempo, como los sensores ambientales y similares (las personas que lo desarrollaron están entusiasmadas con las aplicaciones de IoT). Pero la historia más importante aquí puede ser que los investigadores construyeron un dispositivo bastante grande y complicado que se basa en un material atómicamente delgado.

Materiales de la naturaleza2022. DOI: 10.1038/s41563-022-01398-9 (Acerca de los DOI).