Un sottile balzo in avanti: il primo microchip 2D funzionale al mondo

May 30, 2023

Di King Abdullah University of Science & Technology (KAUST), 4 giugno 2023

KAUST Il professor Mario Lanza e i suoi co-ricercatori hanno progettato con successo il primo microchip 2D al mondo utilizzando materiali sintetici. Nonostante le difficoltà di fabbricazione, il team è riuscito a creare un chip che funziona come un elemento di rete neurale ad alte prestazioni e a basso consumo, aprendo le porte al progresso della tecnologia dei microchip. Credito: © 2023 KAUST; Mario Lanza

La prima dimostrazione di un microchip funzionale che integra materiali bidimensionali atomicamente sottili con proprietà esotiche annuncia una nuova era della microelettronica.

Presso KAUST è stato fabbricato il primo microchip al mondo completamente integrato e funzionale basato su materiali bidimensionali esotici. La svolta dimostra il potenziale dei materiali 2D per espandere la funzionalità e le prestazioni delle tecnologie basate su microchip.

Since the first fabrication of atomically thin layers of graphite — called grapheneGraphene is an allotrope of carbon in the form of a single layer of atoms in a two-dimensional hexagonal lattice in which one atom forms each vertex. It is the basic structural element of other allotropes of carbon, including graphite, charcoal, carbon nanotubes, and fullerenes. In proportion to its thickness, it is about 100 times stronger than the strongest steel." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> grafene: nel 2004, c'è stato un intenso interesse per tali materiali per applicazioni avanzate e nuove a causa delle loro proprietà fisiche esotiche e promettenti. Ma, nonostante due decenni di ricerca, i microdispositivi funzionali basati su questi materiali 2D si sono rivelati sfuggenti a causa delle sfide legate alla fabbricazione e alla gestione di pellicole sottili così fragili.

Ispirandosi ai recenti risultati ottenuti nel laboratorio di Lanza sui film 2D funzionali, la collaborazione guidata da KAUST ha ora prodotto e dimostrato un prototipo di microchip basato su 2D.

"La nostra motivazione era aumentare il livello di preparazione tecnologica dei dispositivi e dei circuiti elettronici basati su materiali 2D utilizzando microcircuiti CMOS convenzionali a base di silicio come base e tecniche di fabbricazione di semiconduttori standard", afferma Lanza. "La sfida, tuttavia, è che i materiali sintetici 2D possono contenere difetti locali come impurità atomiche che possono causare il guasto di piccoli dispositivi. Inoltre, è molto difficile integrare il materiale 2D nel microchip senza danneggiarlo."

Il team di ricerca ha ottimizzato il design del chip per facilitarne la fabbricazione e ridurre al minimo l'effetto dei difetti. Lo hanno fatto fabbricando transistor CMOS (semiconduttori a ossido di metallo complementare) standard su un lato del chip e alimentando le interconnessioni fino alla parte inferiore, dove il materiale 2D poteva essere trasferito in modo affidabile in piccoli pad di diametro inferiore a 0,25 micrometri.

"Abbiamo prodotto il materiale 2D - nitruro di boro esagonale, o h-BN, su un foglio di rame - e lo abbiamo trasferito sul microchip utilizzando un processo umido a bassa temperatura, quindi abbiamo formato degli elettrodi sopra mediante evaporazione sotto vuoto convenzionale e fotolitografia, che sono processi che abbiamo internamente", spiega Lanza. "In questo modo abbiamo prodotto una matrice 5×5 di celle da un transistor/un memristor collegate in una matrice a barra trasversale."

Le proprietà esotiche dell'h-BN 2D, qui solo 18 atomi o 6 nanometri di spessore, lo rendono un "memristor" ideale, un componente resistivo la cui resistenza può essere impostata dalla tensione applicata. In questa disposizione 5×5, ciascuno dei pad memristor su microscala è collegato a un singolo transistor dedicato. Ciò fornisce il controllo preciso della tensione necessario per far funzionare il memristor come un dispositivo funzionale con prestazioni elevate e affidabilità su migliaia di cicli, in questo caso come elemento di rete neurale a bassa potenza.

"Con questo importante passo avanti, stiamo ora dialogando con le principali aziende di semiconduttori per continuare a lavorare in questa direzione", afferma Lanza. "Stiamo anche valutando l'installazione del nostro sistema di elaborazione industriale su scala wafer per materiali 2D presso KAUST per migliorare questa capacità."