China logra un gran salto en tecnología de obleas semiconductoras 2D

Jun 24, 2023

PonyWang/iStock

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Los científicos chinos han logrado un avance significativo en el mundo de los semiconductores, informa el South China Morning Post (SCMP). Las nuevas obleas de 12 longitudes (30,5 cm) de sólo un átomo de espesor (de ahí el nombre "2D") pueden fabricarse de forma económica y potencialmente revolucionar la industria de los semiconductores, afirman sus creadores. Si bien se necesita más trabajo para convertirlos en microchips utilizables, las nuevas obleas podrían complementar, e incluso desafiar, los chips de silicio tradicionales.

Debido a su delgadez, el nuevo material 2D exhibe propiedades semiconductoras superiores. Sin embargo, el equipo de científicos enfrentó desafíos a la hora de aumentar el tamaño de las obleas y producirlas en grandes cantidades. “Demostramos a la industria que esto es científicamente factible e infundimos confianza. Si hay demandas industriales en el futuro, el progreso en este campo avanzará a pasos agigantados”, dijo a SCMP el líder del estudio, el profesor Liu Kaihui de la Universidad de Pekín, en una entrevista exclusiva.

Como se informó en un estudio publicado en Science Bulletin, las nuevas obleas ofrecen algunas mejoras críticas con respecto a los chips de silicio existentes. “Cuando los transistores de silicio se hacen más delgados, su [control de voltaje] empeora. La corriente existirá incluso cuando el dispositivo no esté funcionando. Esto conlleva costes energéticos adicionales y generación de calor”, explicó Liu.

El nuevo material 2D se compone de sólidos cristalinos con una o varias capas de átomos. Debido a su espesor natural a nivel atómico, las obleas poseen propiedades físicas únicas y tienen aplicaciones potenciales en dispositivos electrónicos de alto rendimiento. "Un transistor construido a partir de una sola capa de MoS2, [un material 2D típico] con un espesor de aproximadamente un nanómetro, supera muchas veces a uno fabricado con el mismo espesor de silicio", añadió Liu.

“Algunos materiales 2D se consideran un sistema de materiales esencial para un circuito integrado de 1 nm o menos. También son reconocidos por la industria como capaces de continuar, o incluso más allá, de la Ley de Moore, según la cual el número de transistores en un circuito integrado se duplica aproximadamente cada dos años”, afirmó.

Sin embargo, hasta la fecha, los científicos han tenido dificultades para fabricar obleas de material 2D con alta uniformidad y rendimiento del dispositivo, a pesar de que los materiales 2D pueden existir por separado en cada capa. Las nuevas obleas se pueden apilar capa por capa, incluidos materiales como grafeno o dicalcogenuros de metales de transición (TMD), como disulfuro de molibdeno, disulfuro de tungsteno, diseleniuro de molibdeno y diseleniuro de tungsteno.

"Desarrollamos un nuevo enfoque, utilizando un método de suministro de superficie a superficie que garantiza un crecimiento uniforme", Ph.D. dijo el candidato Xue Guodong, primer autor del artículo. "Mientras se fabrica la oblea de MoS2, se utiliza como fuente de elementos una placa de cristal de calcogenuro (ZnS) que coopera con sales fundidas dispersas en solución (Na2MoO4)", añadió Guodong.

“Nuestro equipo de ingeniería en el Laboratorio de Materiales del Lago Songshan diseñó equipos basados ​​en este método. [Nuestro] equipo ahora puede producir 10.000 piezas de obleas 2D por máquina al año”, dijo Liu.

Puede ver el estudio usted mismo en la revista Science Bulletin.

Resumen del estudio:

Los dicalcogenuros de metales de transición (TMD) bidimensionales (2D) se consideran candidatos semiconductores fundamentales para dispositivos de próxima generación debido a su espesor a escala atómica, alta movilidad del portador y transferencia de carga ultrarrápida. De manera análoga a la industria tradicional de semiconductores, la producción por lotes de TMD a escala de oblea es el requisito previo para continuar con la evolución de sus circuitos integrados. Sin embargo, la capacidad de producción de obleas TMD generalmente se limita a una sola y pequeña pieza por lote (principalmente de 2 a 4 pulgadas), debido a las estrictas condiciones requeridas para el transporte masivo efectivo de múltiples precursores durante el crecimiento. Aquí desarrollamos una estrategia de crecimiento modularizada para la producción por lotes de TMD a escala de oblea, permitiendo la fabricación de obleas de 2 pulgadas (15 piezas por lote) hasta un tamaño récord de obleas de 12 pulgadas (3 piezas por lote). Cada módulo, que comprende una unidad de suministro de precursores local autosuficiente para un crecimiento robusto de obleas TMD individuales, se apila verticalmente con otros para formar una matriz integrada y, por lo tanto, un crecimiento por lotes. Las técnicas integrales de caracterización, que incluyen espectroscopía óptica, microscopía electrónica y mediciones de transporte, ilustran sin ambigüedades la alta cristalinidad y la uniformidad de área grande de las películas monocapa preparadas. Además, estas unidades modularizadas demuestran versatilidad al permitir la conversión de MoS2 a escala de oblea producido en varias estructuras, como estructuras Janus de MoSSe, compuestos de aleación de MoS2(1−x)Se2x y heteroestructuras en el plano de MoS2-MoSe2. . Esta metodología muestra una producción de obleas de alta calidad y alto rendimiento y potencialmente permite una transición perfecta desde semiconductores 2D a escala de laboratorio a escala industrial complementarios a la tecnología de silicio.