Las nuevas aplicaciones de inteligencia artificial están impulsando la necesidad de chips informáticos más densos y potentes, y la demanda de semiconductores más potentes ha dado lugar a soluciones innovadoras como el crecimiento de transistores semiconductores 2D en chips de silicio. Mientras que los chips semiconductores tradicionales se fabrican con materiales a granel, que son estructuras 3D cuadradas, apilar varias capas de transistores para crear integraciones más densas es todo un reto. Sin embargo, investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) han desarrollado una tecnología que permite “cultivar” de forma eficaz y eficiente capas de materiales de dicalcogenuro metálico de transición (TMD) 2D directamente sobre un chip de silicio totalmente fabricado para posibilitar integraciones más densas.

Cultivar materiales 2D directamente sobre una oblea CMOS de silicio ha supuesto un reto importante, ya que el proceso suele requerir temperaturas de unos 600 grados centígrados, mientras que los transistores y circuitos de silicio podrían romperse al calentarse por encima de los 400 grados. Sin embargo, el equipo interdisciplinar de investigadores del MIT ha desarrollado un proceso de crecimiento a baja temperatura que no daña el chip. La tecnología permite integrar directamente transistores semiconductores 2D sobre circuitos de silicio estándar.

En el pasado, los investigadores cultivaban materiales 2D en otros lugares y luego los transferían a un chip u oblea. Esto suele provocar imperfecciones que dificultan el rendimiento de los dispositivos y circuitos finales. Además, transferir el material sin problemas resulta extremadamente difícil a escala de oblea. En cambio, este nuevo proceso produce una capa lisa y muy uniforme en toda una oblea de 8 pulgadas.

La nueva tecnología también reduce considerablemente el tiempo necesario para cultivar estos materiales. Mientras que los métodos anteriores requerían más de un día para cultivar una sola capa de materiales 2D, el nuevo método puede cultivar una capa uniforme de material TMD en menos de una hora en obleas enteras de 8 pulgadas. Gracias a su rapidez y alta uniformidad, la nueva tecnología permitió a los investigadores integrar con éxito una capa de material 2D en superficies mucho mayores que las demostradas anteriormente. Esto hace que su método sea más adecuado para aplicaciones comerciales, en las que las obleas de 8 pulgadas o más son fundamentales.

“Utilizar materiales 2D es una forma muy eficaz de aumentar la densidad de un circuito integrado. Lo que hacemos es como construir un edificio de varios pisos. Si sólo tiene una planta, que es el caso convencional, no cabrá mucha gente. Pero con más plantas, el edificio albergará a más gente que podrá hacer cosas nuevas y asombrosas. Gracias a la integración heterogénea en la que estamos trabajando, tenemos silicio como primer piso y luego podemos tener muchos pisos de materiales 2D integrados directamente encima”, explica Jiadi Zhu, estudiante de posgrado de ingeniería eléctrica e informática y coautor de un artículo sobre esta nueva técnica.

El material 2D en el que se centraron los investigadores, el disulfuro de molibdeno, es flexible, transparente y presenta potentes propiedades electrónicas y fotónicas que lo hacen ideal para un transistor semiconductor. Está compuesto por una capa de un átomo de molibdeno intercalada entre dos átomos de sulfuro.

El crecimiento de películas finas de disulfuro de molibdeno sobre una superficie con buena uniformidad suele lograrse mediante un proceso conocido como deposición química de vapor metal-orgánico (MOCVD). El hexacarbonilo de molibdeno y el dietileno de azufre, dos compuestos químicos orgánicos que contienen átomos de molibdeno y azufre, se vaporizan y se calientan dentro de la cámara de reacción, donde se “descomponen” en moléculas más pequeñas. A continuación, se unen mediante reacciones químicas para formar cadenas de disulfuro de molibdeno en una superficie.