Un nuevo método consigue un mejor rendimiento con transistores atómicamente delgados

Jan 30, 2024

John Timmer - 21 de marzo de 2023 3:55 pm UTC

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 forme una lámina. Estos a menudo tienen propiedades electrónicas distintivas que potencialmente pueden permitir la producción de productos electrónicos con características increíblemente pequeñas de sólo un par de átomos de espesor. Y ha habido varios ejemplos de hardware funcional construido a partir de estos materiales bidimensionales.

Pero casi todos los ejemplos hasta ahora han utilizado construcciones a medida, en las que a veces los investigadores manipulan a mano escamas individuales de material. Así que no estamos en el punto en el que podamos fabricar en masa aparatos electrónicos complicados a partir de 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.

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. Esto tiene sentido porque estas técnicas nos permiten realizar manipulaciones de materiales a escala increíblemente fina en grandes volúmenes. Normalmente, esto ha significado que gran parte del cableado metálico necesario para la electrónica se realiza mediante la fabricación tradicional. Luego, el material 2D se coloca 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 metálicos 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 utilizando esta 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 sencilla fue formar las puertas de los transistores, que simplemente se modelaron sobre un sustrato sólido y luego se recubrieron con óxido de aluminio.

Por otra parte, 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 lámina se levantó y se transfirió sobre el óxido de aluminio, lo que dio como resultado una capa atómicamente delgada de semiconductor colocada encima de la puerta. Para formar un transistor, a los investigadores solo les faltaban electrodos fuente y de drenaje.

Estos 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 es necesario para formar circuitos funcionales. Para limitar estas distorsiones, los investigadores vincularon el polímero a una lámina de cuarzo antes de estamparla sobre la oblea cubierta con electrodos de puerta. 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 a los electrodos de drenaje se formaba simplemente colocando los materiales físicamente uno al lado del otro. Esto limita la posibilidad de dañar el material semiconductor atómicamente delgado.

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 luego deben colocarse en su lugar. Para circuitos con características pequeñas, eso requiere una alineación increíblemente precisa.

Eso... no siempre funcionó. Hubo varios casos en los que toda la colección de electrodos terminó desalineada, generalmente debido a una ligera torsión al colocarlos 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 utilizando técnicas más típicas. Y según la mayoría de las medidas, tuvieron un desempeño significativamente mejor. El voltaje en los estados encendido y apagado difería en nueve órdenes de magnitud. La fuga en el estado exterior también fue muy baja.

En términos más generales, el enfoque funcionó. Los investigadores pudieron construir circuitos funcionales en toda una oblea de 2 pulgadas, incluidas unidades de medio sumador, un componente esencial del hardware computacional. Entonces, si bien 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 conjuntos de herramientas que algún día podrían convertir los materiales 2D en un competidor viable del silicio.

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