Novo método obtém melhor desempenho de transistores atomicamente finos

Jan 30, 2024

John Timmer - 21 de março de 2023 15h55 UTC

Materiais atomicamente finos como o grafeno são moléculas únicas nas quais todas as ligações químicas são orientadas de modo que a molécula resultante forme uma folha. Eles geralmente têm propriedades eletrônicas distintas que podem potencialmente permitir a produção de eletrônicos com características incrivelmente pequenas, com apenas alguns átomos de espessura. E tem havido vários exemplos de hardware funcional sendo construído a partir desses materiais bidimensionais.

Mas quase todos os exemplos até agora usaram construção sob medida, às vezes envolvendo pesquisadores manipulando manualmente flocos individuais de material. Portanto, ainda não chegamos ao ponto de podermos fabricar em massa componentes eletrônicos complicados a partir desses materiais. Mas um artigo divulgado hoje descreve um método de produção de transistores em escala de wafer com base em materiais bidimensionais. E os transistores resultantes têm um desempenho mais consistente do que aqueles fabricados com abordagens de fabricação mais tradicionais.

A maioria dos esforços feitos para facilitar a produção de eletrônicos baseados em materiais atomicamente finos envolveu a integração desses materiais em técnicas tradicionais de fabricação de semicondutores. Isso faz sentido porque essas técnicas nos permitem realizar manipulações de materiais em escala incrivelmente precisa em grandes volumes. Normalmente, isso significa que grande parte da fiação metálica necessária para os componentes eletrônicos é instalada pela fabricação tradicional. O material 2D é então colocado em camadas sobre o metal e um processamento adicional é feito para formar transistores funcionais.

Freqüentemente, esse “processamento adicional” envolve camadas de metal sobre o material 2D. Este método, argumentam os pesquisadores por trás do trabalho, provavelmente não é a melhor maneira de fazer as coisas. Depositar o metal pode danificar o material 2D, e alguns átomos de metal individuais podem potencialmente se difundir no material 2D, criando pequenos curtos-circuitos dentro do recurso maior. Tudo isso degrada o desempenho de qualquer circuito construído com essa técnica.

Então a equipe descobriu uma maneira de formar todas as partes individuais do circuito separadamente e reuni-las sob condições suaves. A parte mais simples foi formar as portas dos transistores, que foram simplesmente padronizadas em um substrato sólido e depois revestidas com óxido de alumínio.

Separadamente, a equipe formou uma folha uniforme de um material atomicamente fino (dissulfeto de molibdênio) no topo de uma superfície de dióxido de silício por deposição química de vapor. Essa folha foi então retirada e transferida para cima do óxido de alumínio, resultando em uma camada atomicamente fina de semicondutor colocada no topo da porta. Para formar um transistor, faltavam apenas os eletrodos de fonte e dreno.

Eles foram feitos completamente separados, formando toda a fiação no topo de uma superfície sólida. A fiação foi então embutida em um polímero, e tudo foi retirado da superfície, criando uma folha de polímero com os fios embutidos em sua superfície inferior. Por si só, esse polímero é flexível o suficiente para poder esticar ou distorcer e, portanto, a fiação não se alinharia com as portas, como é necessário para formar circuitos funcionais. Para limitar essas distorções, os pesquisadores ligaram o polímero a uma folha de quartzo antes de fixá-lo no wafer coberto com eletrodos de porta. Isto depositou a fiação diretamente em cima do dissulfeto de molibdênio, completando a formação de transistores funcionais.

Depois que tudo estivesse no lugar, o polímero poderia ser removido em condições amenas e qualquer excesso de material poderia ser cortado por ataque a plasma. O resultado foi uma coleção de transistores onde a conexão do semicondutor à fonte e aos eletrodos de drenagem era simplesmente formada pelos materiais sendo fisicamente colocados um ao lado do outro. Isto limita a possibilidade de danos ao material semicondutor atomicamente fino.

Embora todo o processamento necessário aqui seja muito mais suave do que a fabricação típica de semicondutores, essa fabricação simplifica as coisas ao formar todos os recursos onde eles são necessários. Para que esta abordagem funcione, os eletrodos de fonte e dreno são feitos separadamente da porta e devem ser colocados no lugar posteriormente. Para circuitos com recursos pequenos, isso requer um alinhamento incrivelmente preciso.