I chip semiconduttori sono la spina dorsale dell’elettronica moderna, alimentando qualsiasi cosa, dagli smartphone ai laptop alle automobili. Ma man mano che i dispositivi diventano più piccoli e più potenti, il silicio, il materiale di cui è composta la maggior parte dei chip, sta raggiungendo i suoi limiti fisici. Per superare questa sfida, i ricercatori stanno esplorando nuovi materiali che possono consentire chip più veloci ed efficienti.
Un candidato promettente sono i materiali 2D, che sono fogli di cristalli atomicamente sottili con proprietà elettriche uniche. A differenza del silicio, che perde la sua conduttività se ridotto a dimensioni nanometriche, i materiali 2D possono mantenere o addirittura migliorare le loro prestazioni a tali scale. Tuttavia, l’integrazione di materiali 2D con chip di silicio esistenti è stata una sfida importante, poiché i metodi di fabbricazione convenzionali richiedono temperature elevate che possono danneggiare i circuiti sottostanti.
Crescita di materiali 2D su wafer di silicio
Ora, gli ingegneri del MIT hanno sviluppato una tecnica rivoluzionaria in grado di far crescere materiali 2D direttamente sopra i wafer di silicio, senza danneggiarli. La tecnica, riportata in un articolo pubblicato su Nature il 18 gennaio 2023, utilizza un processo a bassa temperatura che deposita gli atomi su un wafer rivestito con una”maschera”che guida la crescita degli strati 2D. Il risultato è un perfetto, singolo-materiale 2D cristallino che può essere integrato con circuiti in silicio per creare chip più densi e potenti.
I ricercatori hanno dimostrato la loro tecnica facendo crescere un tipo di materiale 2D chiamato dicalcogenidi di metalli di transizione (TMD) su un Wafer di silicio da 8 pollici. Hanno quindi fabbricato un semplice transistor dallo strato TMD e hanno dimostrato che potrebbe funzionare più velocemente e in modo più efficiente rispetto a un transistor di silicio delle stesse dimensioni.
“Prevediamo che la nostra tecnologia possa consentire il sviluppo di dispositivi elettronici di prossima generazione basati su semiconduttori 2D ad alte prestazioni”, afferma Jeehwan Kim, professore associato di ingegneria meccanica al MIT e autore senior dell’articolo.”Abbiamo scoperto un modo per raggiungere la Legge di Moore utilizzando materiali 2D.”
Estensione della Legge di Moore
Legge di Moore è l’osservazione che il numero di transistor su un chip raddoppia ogni anno, portando a miglioramenti esponenziali nella potenza di calcolo. Tuttavia, si prevede che questa tendenza presto, quando i transistor al silicio raggiungono i loro limiti fisici. Kim e i suoi colleghi ritengono che la loro tecnica potrebbe estendere la legge di Moore consentendo ai produttori di chip di impilare più strati di transistor 2D sopra i circuiti di silicio, creando architetture 3D in grado di racchiudere più funzionalità in meno spazio.
I ricercatori prevedono inoltre che la loro tecnica potrebbe essere utilizzata per far crescere altri tipi di materiali 2D, come il grafene e il nitruro di boro, che hanno proprietà e applicazioni diverse. Ad esempio, il grafene è un eccellente conduttore di elettricità e calore, mentre il nitruro di boro è un ottimo isolante. Combinando diversi materiali 2D su un wafer di silicio, i ricercatori sono riusciti a creare dispositivi complessi e multifunzionali per vari scopi.
“Con il nostro metodo possiamo coltivare qualsiasi tipo di materiale 2D su qualsiasi tipo di substrato”, afferma Kim.”Questo apre un nuovo mondo di possibilità per l’elettronica 2D.”
Nel complesso, la tecnica rivoluzionaria sviluppata dai ricercatori del MIT rappresenta un importante passo avanti nello sviluppo dei semiconduttori. Poiché la domanda di elettronica più veloce e più potente continua a crescere, l’integrazione di materiali 2D con chip di silicio esistenti potrebbe consentire la creazione di dispositivi elettronici più piccoli, più efficienti e più complessi, aprendo un nuovo mondo di possibilità per l’elettronica 2D.
Di seguito è riportato un elenco di fonti ufficiali che forniscono maggiori informazioni sulla ricerca:
Documento sulla natura: “Nonepitaxial single-crystalline growth of atomically thin transistors on industrial wafers” (18 gennaio 2023). Questo è il documento originale che descrive dettagliatamente la tecnica e i suoi risultati.
Articolo del MIT News: “Gli ingegneri del MIT diventano perfetti”Materiali sottili come atomi su wafer di silicio industriale” (18 gennaio 2023). Questo è un riassunto dell’articolo scritto per un pubblico generale dal MIT News Office.
Articolo del MIT News: “Gli ingegneri del MIT”fanno crescere”transistor atomicamente sottili sopra i chip dei computer” (27 aprile 2023). Questo è un aggiornamento sul documento che evidenzia le sue potenziali applicazioni e implicazioni per l’industria elettronica da parte del MIT News Office.