La Cina compie un grande passo avanti nella tecnologia dei wafer per semiconduttori 2D

Jun 24, 2023

PonyWang/iStock

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Gli scienziati cinesi hanno fatto un passo avanti significativo nel mondo dei semiconduttori, riferisce il South China Morning Post (SCMP). Spessi solo un atomo (così chiamati "2D"), i nuovi wafer lunghi 12 (30,5 cm) possono essere economici e potenzialmente rivoluzionare l'industria dei semiconduttori, affermano i suoi creatori. Sebbene sia necessario ulteriore lavoro per trasformarli in microchip utilizzabili, i nuovi wafer potrebbero integrare, se non addirittura sfidare, i tradizionali chip di silicio.

Grazie alla sua sottigliezza, il nuovo materiale 2D presenta proprietà semiconduttrici superiori. Tuttavia, il team di scienziati ha dovuto affrontare delle sfide quando si è trattato di aumentare le dimensioni dei wafer e di produrli in grandi quantità. “Abbiamo dimostrato all’industria che ciò è scientificamente fattibile e abbiamo instillato fiducia. Se in futuro ci saranno richieste industriali, i progressi in questo campo avanzeranno a passi da gigante”, ha dichiarato a SCMP in un’intervista esclusiva il professor Liu Kaihui, responsabile dello studio, dell’Università di Pechino.

Come riportato in uno studio pubblicato su Science Bulletin, i nuovi wafer offrono alcuni miglioramenti fondamentali rispetto ai chip di silicio esistenti. “Quando i transistor in silicio vengono resi più sottili, il loro [controllo della tensione] peggiora. La corrente esisterà anche quando il dispositivo non funziona. Ciò comporta costi aggiuntivi per l’energia e la generazione di calore”, ha spiegato Liu.

Il nuovo materiale 2D comprende solidi cristallini con uno o più strati atomici. Grazie al loro spessore naturale a livello atomico, i wafer possiedono proprietà fisiche uniche e hanno potenziali applicazioni in dispositivi elettronici ad alte prestazioni. "Un transistor costruito da un singolo strato di MoS2, [un tipico materiale 2D] con uno spessore di circa un nanometro, supera molte volte quello realizzato con lo stesso spessore di silicio", ha aggiunto Liu.

“Alcuni materiali 2D sono considerati un sistema materiale essenziale per un circuito integrato di 1 nm e più piccolo. Sono inoltre riconosciuti dall'industria come capaci di portare avanti, o addirittura superare, la Legge di Moore, secondo la quale il numero di transistor in un circuito integrato raddoppia circa ogni due anni”, ha affermato.

Tuttavia, fino ad oggi, gli scienziati hanno faticato a fabbricare wafer di materiale 2D con elevata uniformità e prestazioni del dispositivo, anche se i materiali 2D possono esistere separatamente su ogni strato. I nuovi wafer possono essere impilati strato per strato, inclusi materiali come grafene o dicalcogenuri di metalli di transizione (TMD) come disolfuro di molibdeno, disolfuro di tungsteno, diseleniuro di molibdeno e diseleniuro di tungsteno.

"Abbiamo sviluppato un nuovo approccio, utilizzando un metodo di fornitura da superficie a superficie che garantisce una crescita uniforme", ha affermato il Ph.D. ha detto il candidato Xue Guodong, primo autore dell'articolo. “Durante la fabbricazione del wafer di MoS2, come fonte di elemento viene utilizzata una lastra di cristallo di calcogenuro (ZnS) che coopera con sali fusi dispersi in soluzione (Na2MoO4)”, ha aggiunto Guodong.

“Il nostro team di ingegneri del Songshan Lake Materials Laboratory ha progettato apparecchiature basate su questo metodo. Le [nostre] apparecchiature ora possono produrre 10.000 pezzi di wafer 2D per macchina all’anno”, ha affermato Liu.

Puoi visionare tu stesso lo studio sulla rivista Science Bulletin.

Estratto dello studio:

I dicalcogenuri di metalli di transizione (TMD) bidimensionali (2D) sono considerati candidati semiconduttori fondamentali per i dispositivi di prossima generazione grazie al loro spessore su scala atomica, all'elevata mobilità dei portatori e al trasferimento di carica ultraveloce. Analogamente all'industria tradizionale dei semiconduttori, la produzione in batch di TMD su scala wafer è il prerequisito per procedere con l'evoluzione dei circuiti integrati. Tuttavia, la capacità di produzione dei wafer TMD è tipicamente limitata a un singolo e piccolo pezzo per lotto (principalmente da 2 a 4 pollici), a causa delle rigorose condizioni richieste per un efficace trasporto di massa di più precursori durante la crescita. Qui abbiamo sviluppato una strategia di crescita modulare per la produzione in batch di TMD su scala wafer, consentendo la fabbricazione di wafer da 2 pollici (15 pezzi per lotto) fino alla dimensione record di wafer da 12 pollici (3 pezzi per lotto). Ciascun modulo, comprendente un'unità di alimentazione locale autosufficiente del precursore per una robusta crescita dei singoli wafer TMD, è impilato verticalmente con altri per formare un array integrato e quindi una crescita in batch. Tecniche di caratterizzazione complete, tra cui la spettroscopia ottica, la microscopia elettronica e le misurazioni del trasporto, illustrano in modo inequivocabile l'elevata cristallinità e l'uniformità su vasta area delle pellicole monostrato così preparate. Inoltre, queste unità modularizzate dimostrano versatilità consentendo la conversione del MoS2 su scala wafer prodotto in varie strutture, come strutture Janus di MoSSe, composti di lega di MoS2(1−x)Se2x ed eterostrutture nel piano di MoS2-MoSe2 . Questa metodologia mette in mostra la produzione di wafer di alta qualità e ad alto rendimento e consente potenzialmente la transizione senza soluzione di continuità dai semiconduttori 2D su scala di laboratorio a quelli su scala industriale complementari alla tecnologia del silicio.