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Il semiconduttore 2D che mancava ai chip ora cresce su wafer
Il gruppo guidato dal professor Ren Wencai, presso l'Institute of Metal Research della Chinese Academy of Sciences, ha realizzato un film monocristallino monostrato di MoSi₂N₄ su scala wafer. Il risultato elimina uno degli ostacoli alla produzione di circuiti bidimensionali: ottenere superfici ampie e uniformi, prive dei confini tra grani che limitano il trasporto elettrico e indeboliscono il materiale durante il trasferimento su altri substrati.
Il silicio rimane il fondamento della microelettronica, ma la riduzione delle dimensioni dei transistor oltre la soglia dei 5 nanometri accentua fenomeni come le correnti di dispersione legate agli effetti di canale corto. I materiali monostrato offrono superfici prive di legami pendenti, ma finora la produzione di un affidabile semiconduttore 2D di tipo p in forma monocristallina e su grandi aree si era dimostrata particolarmente complessa.
Il settore dispone già di tecniche per ottenere semiconduttori bidimensionali di tipo n, tra cui disolfuro di molibdeno e disolfuro di tungsteno. I circuiti CMOS complementari, però, richiedono dispositivi di tipo n e p che lavorino insieme. L'assenza di un materiale p-type adeguato, uniforme e trasferibile impediva quindi di progettare microprocessori interamente bidimensionali con caratteristiche compatibili con una futura produzione industriale.
Per superare il limite, i ricercatori hanno sviluppato una variante della deposizione chimica da vapore. La crescita avviene su un substrato monocristallino di rame Cu(111), arricchito con atomi di molibdeno e silicio. I gradini presenti sulla superficie del rame orientano i primi nuclei cristallini nella stessa direzione, permettendo ai diversi domini di fondersi in un unico film continuo anziché generare una struttura policristallina disordinata.
La ricerca sui materiali a spessore atomico sta aprendo proprietà difficili da ottenere nei solidi convenzionali, come mostrano anche gli studi dedicati ai superconduttori ultrasottili. Nel caso del MoSi₂N₄, l'obiettivo è soprattutto elettronico: preservare le prestazioni lungo l'intero wafer e ridurre i difetti che ostacolano il passaggio dei portatori di carica.
Il film ottenuto ha raggiunto una mobilità intrinseca di 154 cm² V⁻¹ s⁻¹. Gli array di transistor a effetto di campo hanno mostrato un rapporto on/off pari a 3,8 ± 1,4 × 10⁶ e una densità di corrente nello stato acceso fino a 17,96 µA per micrometro, con una lunghezza di canale di un micrometro. I dispositivi hanno inoltre mantenuto una stabilità superiore rispetto a quelli costruiti con un monostrato di diseleniuro di tungsteno.
La procedura non sembra limitata a un solo composto: lo stesso gruppo ha prodotto anche cristalli monostrato di WSi₂N₄ su scala wafer. La possibilità di estendere il metodo ad altri materiali complessi della famiglia MA₂Z₄ offre una base sperimentale per sviluppare transistor p-type più uniformi e, in prospettiva, integrare sezioni n e p in circuiti CMOS completamente bidimensionali.
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