Desenvolvendo um Transistor Funcional 2D em um Wafer de Silício

INSIDER de Eletrônica e Sensores

Fiel à Lei de Moore, o número de transistores em um microchip dobrou a cada ano desde a década de 1960. Mas prevê-se que essa trajetória se estabeleça em breve porque o silício – a espinha dorsal dos transistores modernos – perde suas propriedades elétricas quando os dispositivos feitos desse material caem abaixo de um determinado tamanho.

Digite os materiais 2D - folhas bidimensionais delicadas de cristais perfeitos que são tão finos quanto um único átomo. Na escala de nanômetros, os materiais 2D podem conduzir elétrons com muito mais eficiência do que o silício. A busca por materiais de transistor de próxima geração, portanto, se concentrou em materiais 2D como potenciais sucessores do silício.

Mas antes que a indústria eletrônica possa fazer a transição para materiais 2D, os cientistas precisam primeiro encontrar uma maneira de projetar os materiais em wafers de silício padrão da indústria, preservando sua forma cristalina perfeita. E os engenheiros do MIT podem agora ter uma solução.

A equipe desenvolveu um método que permite aos fabricantes de chips fabricar transistores cada vez menores a partir de materiais 2D, cultivando-os em wafers existentes de silício e outros materiais. O novo método é uma forma de "crescimento monocristalino não epitaxial", que a equipe usou pela primeira vez para cultivar materiais 2D puros e livres de defeitos em wafers de silício industrial.

Com seu método, a equipe fabricou um transistor funcional simples a partir de materiais 2D chamados dicalcogenetos de metais de transição, ou TMDs, que são conhecidos por conduzir eletricidade melhor do que o silício em escalas nanométricas.

"Esperamos que nossa tecnologia possa permitir o desenvolvimento de dispositivos eletrônicos de próxima geração baseados em semicondutores 2D", disse Jeehwan Kim, professor associado de engenharia mecânica do MIT. "Desvendamos uma maneira de alcançar a Lei de Moore usando materiais 2D." Kim e seus colegas detalham seu método em um artigo publicado na Nature.

Para produzir um material 2D, os pesquisadores geralmente empregam um processo manual pelo qual um floco com a espessura de um átomo é cuidadosamente esfoliado de um material a granel, como descascar as camadas de uma cebola.

Mas a maioria dos materiais a granel são policristalinos, contendo vários cristais que crescem em orientações aleatórias. Onde um cristal encontra outro, o "limite de grão" atua como uma barreira elétrica. Quaisquer elétrons que fluem através de um cristal param repentinamente quando encontram um cristal de orientação diferente, amortecendo a condutividade de um material. Depois de esfoliar um floco 2D, os pesquisadores devem procurar no floco por regiões "monocristalinas" - um processo tedioso e demorado que é difícil de aplicar em escala industrial.

Recentemente, os pesquisadores descobriram outras maneiras de fabricar materiais 2D, cultivando-os em wafers de safira – um material com um padrão hexagonal de átomos, que incentiva os materiais 2D a serem montados na mesma orientação monocristalina.

"Mas ninguém usa safira na indústria de memória ou lógica", diz Kim. "Toda a infraestrutura é baseada em silício. Para o processamento de semicondutores, você precisa usar wafers de silício." No entanto, os wafers de silício carecem do andaime de suporte hexagonal da safira. Assim, quando os pesquisadores tentam cultivar materiais 2D em silício, o resultado é uma colcha de retalhos aleatória de cristais que se fundem ao acaso, formando numerosos contornos de grãos que bloqueiam a condutividade.

O novo "crescimento monocristalino não epitaxial" da equipe não requer descascamento e busca de flocos de material 2D. Em vez disso, os pesquisadores usam métodos convencionais de deposição de vapor para bombear átomos através de uma bolacha de silício. Os átomos finalmente se acomodam no wafer e nucleam, crescendo em orientações de cristal bidimensionais. Se deixado sozinho, cada "núcleo", ou semente de um cristal, cresceria em uma orientação aleatória na bolacha de silício. Mas Kim e seus colegas encontraram uma maneira de alinhar cada cristal em crescimento para criar regiões monocristalinas em todo o wafer.

Para fazer isso, eles primeiro cobriram uma bolacha de silício com uma "máscara" - uma camada de dióxido de silício que eles modelaram em pequenos bolsos, cada um projetado para prender uma semente de cristal. Através da bolacha mascarada, eles então fluíram um gás de átomos que se estabeleceu em cada bolso para formar um material 2D – neste caso, um TMD. Os bolsões da máscara encurralavam os átomos e os encorajavam a se reunir na bolacha de silício na mesma orientação monocristalina.