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Aplicativos emergentes de IA, como chatbots que geram linguagem humana natural, exigem chips de computador mais densos e poderosos. Mas os chips semicondutores são tradicionalmente feitos com materiais a granel, que são estruturas 3D quadradas, portanto, empilhar várias camadas de transistores para criar integrações mais densas é muito difícil.
No entanto, transistores semicondutores feitos de materiais 2D ultrafinos, cada um com apenas três átomos de espessura, podem ser empilhados para criar chips mais poderosos. Para este fim, os pesquisadores do MIT demonstraram uma nova tecnologia que pode efetivamente e eficientemente “crescer” camadas de materiais de dicalcogeneto de metal de transição 2D (TMD) diretamente sobre um chip de silício totalmente fabricado para permitir integrações mais densas.
O cultivo de materiais 2D diretamente em um wafer CMOS de silício representa um grande desafio porque o processo geralmente requer temperaturas de cerca de 600 graus Celsius, enquanto os transistores e circuitos de silício podem quebrar quando aquecidos acima de 400 graus. Agora, a equipe interdisciplinar 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 em circuitos de silício padrão.
No passado, os pesquisadores cultivavam materiais 2D em outro lugar e depois os transferiam para um chip ou wafer. Isso geralmente causa imperfeições que prejudicam o desempenho dos dispositivos e circuitos finais. Além disso, a transferência suave do material torna-se extremamente difícil em escala de wafer. Por outro lado, esse novo processo cria uma camada suave e altamente uniforme em todo um wafer de 8 polegadas.
A nova tecnologia também é capaz de reduzir significativamente o tempo necessário para cultivar esses materiais. Embora as abordagens anteriores exigissem mais de um dia para cultivar uma única camada de materiais 2D, a nova abordagem pode desenvolver uma camada uniforme de material TMD em menos de uma hora em wafers inteiros de 8 polegadas.
Devido à sua rápida velocidade e alta uniformidade, a nova tecnologia permitiu aos pesquisadores integrar com sucesso uma camada de material 2D em superfícies muito maiores do que foi demonstrado anteriormente. Isso torna seu método mais adequado para uso em aplicações comerciais, onde wafers de 8 polegadas ou maiores são essenciais.
“Usar materiais 2D é uma maneira poderosa de aumentar a densidade de um circuito integrado. O que estamos fazendo é como construir um prédio de vários andares. Se você tiver apenas um andar, que é o caso convencional, não comportará muitas pessoas. Mas com mais andares, o prédio comportará mais pessoas, o que pode possibilitar novidades incríveis. Graças à integração heterogênea em que estamos trabalhando, temos o silício como primeiro andar e depois podemos ter muitos andares de materiais 2D integrados diretamente no topo.” diz Jiadi Zhu, estudante de pós-graduação em engenharia elétrica e ciência da computação e co-autor principal de um artigo sobre essa nova técnica.
Zhu escreveu o artigo com o co-autor Ji-Hoon Park, um pós-doutorando do MIT; autores correspondentes Jing Kong, professor de engenharia elétrica e ciência da computação (EECS) e membro do Laboratório de Pesquisa em Eletrônica; e Tomás Palacios, professor da EECS e diretor dos Laboratórios de Tecnologia de Microssistemas (MTL); bem como outros no MIT, MIT Lincoln Laboratory, Oak Ridge National Laboratory e Ericsson Research. O jornal aparece hoje em Natureza Nanotecnologia.
Materiais finos com vasto potencial
O material 2D em que os pesquisadores se concentraram, o dissulfeto de molibdênio, é flexível, transparente e exibe poderosas propriedades eletrônicas e fotônicas que o tornam ideal para um transistor semicondutor. É composto por uma camada de um átomo de molibdênio entre dois átomos de sulfeto.
O crescimento de filmes finos de dissulfeto de molibdênio em uma superfície com boa uniformidade geralmente é realizado por meio de um processo conhecido como deposição de vapor químico orgânico-metálico (MOCVD). Hexacarbonila de molibdênio e enxofre de dietileno, dois compostos químicos orgânicos que contêm átomos de molibdênio e enxofre, vaporizam e são aquecidos dentro da câmara de reação, onde se “decompõem” em moléculas menores. Em seguida, eles se ligam por meio de reações químicas para formar cadeias de dissulfeto de molibdênio em uma superfície.
Mas a decomposição desses compostos de molibdênio e enxofre, conhecidos como precursores, requer temperaturas acima de 550 graus Celsius, enquanto os circuitos de silício começam a se degradar quando as temperaturas ultrapassam os 400 graus.
Assim, os pesquisadores começaram pensando fora da caixa – eles projetaram e construíram um forno totalmente novo para o processo de deposição de vapor químico metal-orgânico.
O forno consiste em duas câmaras, uma região de baixa temperatura na frente, onde é colocada a pastilha de silício, e uma região de alta temperatura na parte de trás. Precursores vaporizados de molibdênio e enxofre são bombeados para dentro do forno. O molibdênio fica 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 tão quente que danifique o chip de silício.
O precursor de enxofre flui para a região de alta temperatura, onde se decompõe. Em seguida, ele flui de volta para a região de baixa temperatura, onde ocorre a reação química para aumentar o dissulfeto de molibdênio na superfície do wafer.
“Você pode pensar na decomposição como fazer pimenta-do-reino – você tem um grão de pimenta inteiro e o moe em forma de pó. Então, esmagamos e moemos a pimenta na região de alta temperatura, então o pó flui de volta para a região de baixa temperatura. região de temperatura”, explica Zhu.
Crescimento mais rápido e melhor uniformidade
Um problema com esse processo é que os circuitos de silício geralmente têm alumínio ou cobre como camada superior, de modo que o chip pode ser conectado a um pacote ou suporte antes de ser montado em uma placa de circuito impresso. Mas o enxofre faz com que esses metais se tornem sulfurosos, da mesma forma que alguns metais enferrujam quando expostos ao oxigênio, o que destrói sua condutividade. Os pesquisadores impediram a sulfurização depositando primeiro uma camada muito fina de material de passivação no topo do chip. Então, mais tarde, eles poderiam abrir a camada de passivação para fazer conexões.
Eles também colocaram o wafer de silício na região de baixa temperatura do forno verticalmente, em vez de horizontalmente. Ao colocá-lo verticalmente, nenhuma das extremidades fica muito próxima da região de alta temperatura, de modo que nenhuma parte do wafer é danificada pelo calor. Além disso, as moléculas de molibdênio e gás de enxofre giram ao colidir com o chip vertical, em vez de fluir sobre uma superfície horizontal. Este efeito de circulação melhora o crescimento do dissulfeto de molibdênio e leva a uma melhor uniformidade do material.
Além de produzir uma camada mais uniforme, seu método também foi muito mais rápido do que outros processos MOCVD. Eles poderiam crescer uma camada em menos de uma hora, enquanto normalmente o processo de crescimento MOCVD leva pelo menos um dia inteiro.
Usando as instalações MIT.Nano de última geração, eles conseguiram demonstrar alta uniformidade e qualidade de material em um wafer de silício de 8 polegadas, o que é especialmente importante para aplicações industriais em que wafers maiores são necessários.
“Ao encurtar o tempo de crescimento, o processo é muito mais eficiente e pode ser mais facilmente integrado em fabricações industriais. Além disso, este é um processo de baixa temperatura compatível com silício, que pode ser útil para empurrar materiais 2D ainda mais para a indústria de semicondutores, ” Zhu diz.
No futuro, os pesquisadores querem ajustar sua técnica e usá-la para crescer muitas camadas empilhadas de transistores 2D. Além disso, eles querem explorar o uso do processo de crescimento de baixa temperatura para superfícies flexíveis, como polímeros, têxteis ou mesmo papéis. Isso pode permitir a integração de semicondutores em objetos do cotidiano, como roupas ou notebooks.
Este trabalho é parcialmente financiado pelo MIT Institute for Soldier Nanotechnologies, National Science Foundation Center for Integrated Quantum Materials, Ericsson, MITRE, US Army Research Office e US Department of Energy. O projeto também contou com o apoio da TSMC University Shuttle.
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