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Jun 27, 2023

China alcança grande salto em tecnologia de wafer semicondutor 2D

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PonyWang/iStock

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Cientistas chineses fizeram um avanço significativo no mundo dos semicondutores, relata o South China Morning Post (SCMP). Com apenas um átomo de espessura (denominados "2D"), os novos wafers de 12 comprimentos (30,5 cm) podem ser baratos e potencialmente revolucionar a indústria de semicondutores, afirmam seus criadores. Embora seja necessário mais trabalho para transformá-los em microchips utilizáveis, os novos wafers poderiam complementar, e até mesmo desafiar, os chips de silício tradicionais.

Devido à sua espessura, o novo material 2D apresenta propriedades semicondutoras superiores. No entanto, a equipe de cientistas enfrentou desafios quando se tratou de aumentar o tamanho dos wafers e produzi-los em grandes quantidades. “Provamos à indústria que isso é cientificamente viável e inspiramos confiança. Se houver demandas industriais no futuro, o progresso neste campo avançará aos trancos e barrancos”, disse o professor Liu Kaihui, da Universidade de Pequim, ao SCMP em uma entrevista exclusiva.

Conforme relatado em um estudo publicado no Science Bulletin, os novos wafers oferecem algumas melhorias críticas em relação aos chips de silício existentes. “Quando os transistores de silício ficam mais finos, seu [controle de tensão] piora. A corrente existirá mesmo quando o dispositivo não estiver funcionando. Isto acarreta custos adicionais de energia e geração de calor”, explicou Liu.

O novo material 2D compreende sólidos cristalinos com uma ou mais camadas de átomos. Devido à sua espessura natural em nível atômico, os wafers possuem propriedades físicas únicas e têm aplicações potenciais em dispositivos eletrônicos de alto desempenho. “Um transistor construído a partir de uma única camada de MoS2, [um material 2D típico] com uma espessura de cerca de um nanômetro, supera muitas vezes aquele feito com a mesma espessura de silício”, acrescentou Liu.

“Alguns materiais 2D são considerados um sistema de material essencial para um circuito integrado de 1 nm e menor. Eles também são reconhecidos pela indústria como capazes de dar continuidade, ou até mesmo além, à Lei de Moore, onde o número de transistores em um circuito integrado dobra a cada dois anos”, disse ele.

No entanto, até o momento, os cientistas têm lutado para fabricar wafers de material 2D com alta uniformidade e desempenho de dispositivo, embora os materiais 2D possam existir separadamente em cada camada. Os novos wafers podem ser empilhados camada por camada, incluindo materiais como grafeno ou dichalcogenetos de metais de transição (TMDs), como dissulfeto de molibdênio, dissulfeto de tungstênio, disseleneto de molibdênio e disseleneto de tungstênio.

“Desenvolvemos uma nova abordagem, utilizando um método de fornecimento superfície a superfície que garante crescimento uniforme”, Ph.D. disse o candidato Xue Guodong, primeiro autor do artigo. “Ao fabricar o wafer MoS2, uma placa de cristal de calcogeneto (ZnS) que coopera com sais fundidos dispersos em solução (Na2MoO4) é usada como fonte de elemento”, acrescentou Guodong.

“Nossa equipe de engenharia do Laboratório de Materiais do Lago Songshan projetou equipamentos com base neste método. [Nosso] equipamento agora pode produzir 10.000 peças de wafers 2D por máquina por ano”, disse Liu.

Você pode ver o estudo na revista Science Bulletin.

Resumo do estudo:

Os dichalcogenetos de metais de transição (TMDs) bidimensionais (2D) são considerados candidatos semicondutores essenciais para dispositivos de próxima geração devido à sua espessura em escala atômica, alta mobilidade de portadores e transferência de carga ultrarrápida. De forma análoga à indústria tradicional de semicondutores, a produção em lote de TMDs em escala de wafer é o pré-requisito para prosseguir com a evolução de seus circuitos integrados. No entanto, a capacidade de produção de wafers TMD é normalmente limitada a uma única e pequena peça por lote (variando principalmente de 2 a 4 polegadas), devido às condições rigorosas necessárias para o transporte de massa eficaz de múltiplos precursores durante o crescimento. Aqui desenvolvemos uma estratégia de crescimento modularizada para produção em lote de TMDs em escala de wafer, permitindo a fabricação de wafers de 2 polegadas (15 peças por lote) até um tamanho recorde de wafers de 12 polegadas (3 peças por lote). Cada módulo, compreendendo uma unidade de fornecimento de precursor local autossuficiente para o crescimento robusto de wafer TMD individual, é empilhado verticalmente com outros para formar uma matriz integrada e, portanto, um crescimento em lote. Técnicas abrangentes de caracterização, incluindo espectroscopia óptica, microscopia eletrônica e medições de transporte ilustram inequivocamente a alta cristalinidade e a uniformidade de grande área de filmes de monocamada preparados. Além disso, essas unidades modularizadas demonstram versatilidade ao permitir a conversão de MoS2 em escala de wafer produzido em várias estruturas, como estruturas Janus de MoSSe, compostos de liga de MoS2(1−x)Se2x e heteroestruturas no plano de MoS2-MoSe2 . Esta metodologia apresenta saída de wafer de alta qualidade e alto rendimento e potencialmente permite a transição perfeita de semicondutores 2D em escala de laboratório para escala industrial, complementares à tecnologia de silício.