2D funcional

El primer microchip completamente integrado y funcional del mundo basado en exóticos materiales bidimensionales ha sido fabricado en KAUST. El avance demuestra el potencial de los materiales 2D para ampliar la funcionalidad y el rendimiento de las tecnologías basadas en microchips.

Desde la primera fabricación de capas de grafito atómicamente delgadas, llamadas grafeno, en 2004, ha habido un gran interés en dichos materiales para aplicaciones avanzadas y novedosas debido a sus propiedades físicas exóticas y prometedoras. Pero, a pesar de dos décadas de investigación, los microdispositivos funcionales basados ​​en estos materiales 2D han resultado difíciles de alcanzar debido a los desafíos en la fabricación y manipulación de películas delgadas tan frágiles.

Inspirándose en los logros recientes en el laboratorio de Lanza sobre películas 2D funcionales, la colaboración liderada por KAUST ahora ha producido y demostrado un prototipo de microchip basado en 2D.

"Nuestra motivación era aumentar el nivel de preparación tecnológica de los dispositivos y circuitos electrónicos basados ​​en materiales 2D mediante el uso de microcircuitos CMOS basados ​​en silicio convencionales como base y técnicas de fabricación de semiconductores estándar", dice Lanza. "Sin embargo, el desafío es que los materiales 2D sintéticos pueden contener defectos locales, como impurezas atómicas que pueden causar fallas en los dispositivos pequeños. Además, es muy difícil integrar el material 2D en el microchip sin dañarlo".

El equipo de investigación optimizó el diseño del chip para que sea más fácil de fabricar y minimizar el efecto de los defectos. Hicieron esto fabricando transistores semiconductores de óxido de metal complementario (CMOS) estándar en un lado del chip y alimentando interconexiones a través de la parte inferior, donde el material 2D podría transferirse de manera confiable en almohadillas pequeñas de menos de 0,25 micrómetros de ancho.

"Producimos el material 2D (nitruro de boro hexagonal, o h-BN, en lámina de cobre) y lo transferimos al microchip mediante un proceso húmedo a baja temperatura, y luego formamos electrodos en la parte superior mediante evaporación al vacío convencional y fotolitografía, que son procesos que tenemos en casa", dice Lanza. "De esta manera, producimos una matriz de 5 × 5 de celdas de un transistor/un memristor conectadas en una matriz de barras cruzadas".

Las propiedades exóticas de 2D h-BN, aquí con solo 18 átomos o 6 nanómetros de espesor, lo convierten en un memristor ideal, un componente resistivo cuya resistencia puede establecerse mediante el voltaje aplicado. En esta disposición de 5 × 5, cada uno de los pads de memristor a microescala está conectado a un solo transistor dedicado. Esto proporciona el control fino de voltaje necesario para operar el memristor como un dispositivo funcional con alto rendimiento y confiabilidad durante miles de ciclos, en este caso como un elemento de red neuronal de baja potencia.

"Con este avance insignia, ahora estamos hablando con las principales empresas de semiconductores para seguir trabajando en esta dirección", dice Lanza. "También estamos considerando instalar nuestro propio sistema de procesamiento industrial a escala de obleas para materiales 2D en KAUST para mejorar esta capacidad".

- Este comunicado de prensa se publicó originalmente en el sitio web de la Universidad de Ciencia y Tecnología Rey Abdullah