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A indústria de semicondutores está hoje trabalhando para responder a uma missão tripla: aumentar o poder computacional, diminuir o tamanho dos chips e gerenciar o poder em circuitos densamente compactados.
Para atender a essas demandas, a indústria deve olhar além do silício para produzir dispositivos apropriados para o papel crescente da computação.
Embora seja improvável que abandone o material de trabalho num futuro próximo ou distante, o setor tecnológico exigirá melhorias criativas em materiais e arquiteturas de chips para produzir dispositivos apropriados para o papel crescente da computação.
Uma das maiores deficiências do silício é que ele só pode ser feito tão fino porque as propriedades do seu material são fundamentalmente limitadas a três dimensões. [3D]. Por esta razão, bidimensional [2D] semicondutores – tão finos que quase não têm altura – tornaram-se objeto de interesse de cientistas, engenheiros e fabricantes de microeletrônica.
Componentes de chip mais finos proporcionariam maior controle e precisão sobre o fluxo de eletricidade em um dispositivo, ao mesmo tempo que reduziriam a quantidade de energia necessária para alimentá-lo. Um semicondutor 2D também contribuiria para manter a área de superfície de um chip no mínimo, formando uma película fina sobre um dispositivo de suporte de silício.
Mas até recentemente, as tentativas de criar tal material não tiveram sucesso.
Certos semicondutores 2D tiveram um bom desempenho por si próprios, mas exigiram temperaturas tão altas para serem depositados que destruíram o chip de silício subjacente. Outros poderiam ser depositados a temperaturas compatíveis com o silício, mas as suas propriedades electrónicas – utilização de energia, velocidade, precisão – eram deficientes. Alguns atendem aos requisitos de temperatura e desempenho, mas não podem ser cultivados até a pureza necessária em tamanhos padrão da indústria.
Agora, pesquisadores da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da Universidade da Pensilvânia transformaram um semicondutor 2D de alto desempenho em um wafer de tamanho real em escala industrial. Além disso, o material semicondutor, seleneto de índio (InSe), pode ser depositado em temperaturas baixas o suficiente para ser integrado a um chip de silício.
Deep Jariwala, Professor Associado e Peter e Susanne Armstrong Distinguished Scholar no Departamento de Engenharia Elétrica e de Sistemas (ESE), e Seunguk Song, pós-doutorado na ESE, lideraram o estudo, publicado recentemente em Matéria.
“A fabricação de semicondutores é um processo de fabricação em escala industrial”, diz Jariwala. “Você não terá um material viável a menos que possa produzi-lo em wafers em escala industrial. Quanto mais chips você puder produzir em um lote, menor será o preço. Mas o material também deve ser puro para garantir o desempenho. Isto é por que o silício é tão predominante – você pode produzi-lo em grandes quantidades sem sacrificar a pureza.”
O InSe há muito se mostra promissor como material 2D para chips de computação avançados porque transporta carga elétrica excepcionalmente bem. Mas produzir filmes grandes o suficiente de InSe tem se mostrado complicado porque a química do índio e do selênio tende a se combinar em algumas proporções moleculares diferentes, assumindo estruturas químicas com proporções variadas de cada elemento e comprometendo assim sua pureza.
O sucesso da equipe dependeu da aplicação de Song de uma técnica de crescimento que superou as peculiaridades da estrutura atômica do InSe.
“Para efeitos de uma tecnologia de computação avançada, a estrutura química do 2D InSe precisa ser exatamente 50:50 entre os dois elementos. O material resultante precisa de uma estrutura química uniforme em uma grande área para funcionar”, diz Song.
A equipe alcançou essa pureza inovadora usando uma técnica de crescimento chamada “deposição vertical de vapor químico metal-orgânico” (MOCVD). Pesquisas anteriores tentaram introduzir o índio e o selênio em quantidades iguais e ao mesmo tempo. Song demonstrou, porém, que esse método era a fonte de estruturas químicas indesejáveis no material, produzindo moléculas com proporções variadas de cada elemento. O MOCVD, por outro lado, funciona enviando o índio em um fluxo contínuo enquanto introduz o selênio em pulsos.
“Ao pulsar, você dá tempo ao índio e ao selênio para se combinarem. Nos momentos entre os pulsos, você priva o ambiente de selênio, o que evita que a proporção fique muito alta. proporção uniforme de 50:50 em todo o nosso wafer de tamanho normal”, diz Song.
Além da pureza química, a equipe também conseguiu controlar e alinhar a direção dos cristais no material, melhorando ainda mais a qualidade do seu semicondutor, proporcionando um ambiente perfeito para o transporte de elétrons.
“As duas qualidades materiais mais importantes em um semicondutor são a pureza química e a ordem cristalina. A qualidade industrial mais importante é a escalabilidade. Este material atende a todos os requisitos”, diz Jariwala.
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