Pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) desenvolveram tecnologia que permitirá que transistores de nível atômico sejam “crescidos” diretamente na superfície de chips de silício, o que pode levar a chips de computador com maior densidade de transistores e maior desempenho.
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Desenvolvimentos de IA, como os imensamente populares chatbots, exigem chips de computador mais densos e poderosos. Mas os chips semicondutores tradicionais são estruturas tridimensionais, portanto, empilhar várias camadas de transistores para criar integrações mais rígidas é muito difícil. No entanto, transistores semicondutores feitos de materiais bidimensionais ultrafinos, cada um com apenas três átomos de espessura, podem ser empilhados para criar chips mais poderosos. Os cientistas do MIT demonstraram uma nova tecnologia que permite o “crescimento” eficiente e de alta qualidade de camadas de materiais bidimensionais a partir de dicalcogenetos de metais de transição (TMD) diretamente em um chip de silício totalmente acabado, o que permite criar soluções mais densas e poderosas.
O cultivo de materiais 2D diretamente em um wafer de silício CMOS foi desafiador porque o processo normalmente requer uma temperatura de cerca de 600°C, enquanto os transistores e circuitos de silício podem falhar quando aquecidos acima de 400 graus. Um grupo de pesquisadores do MIT desenvolveu um processo de crescimento em baixa temperatura que não danifica o chip. A tecnologia permite que transistores semicondutores 2D sejam integrados diretamente sobre circuitos de silício padrão.
No passado, os pesquisadores desenvolveram materiais bidimensionais separadamente e depois transferiram esse filme fino para um chip ou wafer. Isso geralmente leva a defeitos que interferem na operação dos dispositivos finais. Além disso, a transferência de um material tão fino é extremamente difícil na escala da placa. O novo processo permite que uma camada uniforme e uniforme cresça sobre toda a superfície de um wafer de 200 mm em menos de uma hora. Enquanto as abordagens anteriores exigiam mais de um dia.
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O material bidimensional em que os pesquisadores se concentraram, o dissulfeto de molibdênio, é flexível, transparente e possui poderosas propriedades eletrônicas e fotônicas, tornando-o ideal para um transistor semicondutor. Consiste em uma camada monoatômica de molibdênio entre dois átomos de sulfeto.
O crescimento de filmes finos de dissulfeto de molibdênio em uma superfície com boa uniformidade geralmente é feito por um processo conhecido como deposição de vapor químico orgânico-metálico (MOCVD). Hexacarbonila de molibdênio e sulfóxido de dietileno, dois compostos químicos orgânicos contendo átomos de molibdênio e enxofre, são vaporizados e aquecidos dentro da câmara de reação, onde se “decompõem” em moléculas menores. Eles então se combinam por meio de reações químicas para formar cadeias de dissulfeto de molibdênio na superfície.
Mas esses compostos de molibdênio e enxofre, conhecidos como precursores, precisam de temperaturas acima de 550 graus Celsius para se decompor, enquanto os circuitos de silício começam a se decompor em temperaturas acima de 400 graus. Assim, os pesquisadores começaram com uma abordagem pouco ortodoxa – eles projetaram e construíram um forno de deposição de vapor totalmente novo.
O forno consiste em duas câmaras, uma área de baixa temperatura na frente, onde o wafer de silício é colocado, e uma área de alta temperatura na parte de trás. Precursores vaporizados de molibdênio e enxofre são bombeados para dentro do forno. O molibdênio permanece na região de baixa temperatura, onde a temperatura é mantida abaixo de 400 graus Celsius – quente o suficiente para decompor o precursor do molibdênio, mas não quente o suficiente para danificar o chip de silício. O precursor de enxofre passa por uma região de alta temperatura onde se decompõe. Em seguida, ele flui de volta para a região de baixa temperatura, onde ocorre uma reação química para aumentar o dissulfeto de molibdênio na superfície da placa.
Um problema com esse processo é que os chips de silício geralmente têm uma camada superior de alumínio ou cobre para que o chip possa ser conectado aos pinos do substrato. Mas o enxofre faz com que esses metais se tornem sulfurosos, assim como alguns metais enferrujam quando expostos ao oxigênio, que destrói sua condutividade. Os pesquisadores impediram a formação de enxofre aplicando primeiro uma camada muito fina de material passivante no topo do chip, que é então descascado para criar os contatos.
Eles também colocaram o wafer de silício na região de baixa temperatura do forno verticalmente em vez de horizontalmente. Quando posicionada verticalmente, nenhuma das extremidades fica muito próxima da área de alta temperatura, portanto nenhuma parte da placa é danificada pelo calor. Além disso, as moléculas de molibdênio e dióxido de enxofre se torcem ao colidir com um chip vertical, em vez de fluir ao longo de uma superfície horizontal. Este efeito de circulação melhora o crescimento de dissulfeto de molibdênio e resulta em melhor uniformidade do material.
No futuro, os pesquisadores querem melhorar sua técnica e usá-la para desenvolver várias camadas de transistores 2D. E explore a possibilidade de usar um processo de crescimento de baixa temperatura para superfícies flexíveis, como polímeros, têxteis ou mesmo papel. Isso pode permitir que os semicondutores sejam integrados em itens do dia a dia, como roupas.