Un nuovo metodo ottiene prestazioni migliori da transistor atomicamente sottili

Jan 30, 2024

John Timmer - 21 marzo 2023 15:55 UTC

I materiali atomicamente sottili come il grafene sono singole molecole in cui tutti i legami chimici sono orientati in modo tale che la molecola risultante formi un foglio. Questi hanno spesso proprietà elettroniche distintive che possono potenzialmente consentire la produzione di componenti elettronici con caratteristiche incredibilmente piccole spesse solo un paio di atomi. E ci sono stati numerosi esempi di hardware funzionale costruito con questi materiali bidimensionali.

Ma quasi tutti gli esempi finora hanno utilizzato costruzioni su misura, a volte coinvolgendo i ricercatori nella manipolazione manuale di singoli scaglie di materiale. Quindi non siamo al punto in cui possiamo produrre in serie componenti elettronici complicati con questi materiali. Ma un documento pubblicato oggi descrive un metodo per realizzare la produzione di transistor su scala wafer basata su materiali bidimensionali. E i transistor risultanti hanno prestazioni più costanti rispetto a quelli realizzati con approcci di produzione più tradizionali.

La maggior parte degli sforzi compiuti per facilitare la produzione di elettronica basata su materiali atomicamente sottili hanno comportato l’integrazione di questi materiali nelle tradizionali tecniche di produzione di semiconduttori. Ciò ha senso perché queste tecniche ci consentono di eseguire manipolazioni di materiali su scala incredibilmente fine a volumi elevati. In genere, ciò significa che gran parte del cablaggio metallico necessario per l’elettronica viene realizzato mediante la produzione tradizionale. Il materiale 2D viene quindi stratificato sopra il metallo e viene eseguita un'ulteriore lavorazione per formare transistor funzionali.

Spesso, questa "elaborazione aggiuntiva" comporta la stratificazione del metallo sopra il materiale 2D. Questo metodo, sostengono i ricercatori dietro il lavoro, probabilmente non è il modo migliore per fare le cose. Il deposito del metallo può danneggiare il materiale 2D e alcuni singoli atomi metallici possono potenzialmente diffondersi nel materiale 2D, creando piccoli cortocircuiti all'interno dell'elemento più grande. Tutto ciò degrada le prestazioni di qualsiasi circuito costruito utilizzando questa tecnica.

Quindi il team ha trovato un modo per formare separatamente tutte le singole parti del circuito e le ha riunite in condizioni delicate. La parte più semplice è stata la realizzazione dei gate dei transistor, che sono stati semplicemente modellati su un substrato solido e poi rivestiti con ossido di alluminio.

Separatamente, il team ha formato un foglio uniforme di un materiale atomicamente sottile (disolfuro di molibdeno) sopra una superficie di biossido di silicio mediante deposizione chimica di vapore. Il foglio è stato quindi sollevato e trasferito sopra l'ossido di alluminio, ottenendo uno strato atomicamente sottile di semiconduttore posizionato sopra il gate. Per formare un transistor, ai ricercatori mancavano solo gli elettrodi di sorgente e di drenaggio.

Questi sono stati realizzati completamente separatamente formando tutto il cablaggio su una superficie solida. Il cablaggio è stato quindi incorporato in un polimero e il tutto è stato staccato dalla superficie, creando un foglio di polimero con i fili incorporati sulla superficie inferiore. Di per sé, questo polimero è abbastanza flessibile da potersi allungare o deformare, e quindi il cablaggio non si allineerebbe con le porte, come è necessario per formare circuiti funzionali. Per limitare queste distorsioni, i ricercatori hanno collegato il polimero a un foglio di quarzo prima di stamparlo sul wafer ricoperto di elettrodi di gate. Ciò ha depositato il cablaggio direttamente sopra il bisolfuro di molibdeno, completando la formazione di transistor funzionali.

Una volta che tutto era a posto, il polimero poteva essere rimosso in condizioni blande e l’eventuale materiale in eccesso poteva essere tagliato via mediante incisione al plasma. Il risultato è stato una raccolta di transistor in cui la connessione del semiconduttore agli elettrodi di source e drain è formata semplicemente dai materiali posizionati fisicamente uno accanto all'altro. Ciò limita la possibilità di danni al materiale semiconduttore atomicamente sottile.

Sebbene tutta la lavorazione necessaria qui sia molto più delicata rispetto alla tipica produzione di semiconduttori, tale produzione semplifica le cose formando tutte le funzionalità dove sono infine necessarie. Affinché questo approccio funzioni, gli elettrodi di source e drain sono realizzati separatamente dal gate e devono essere posizionati successivamente. Per circuiti con piccole caratteristiche, che richiedono un allineamento incredibilmente preciso.