El profesor Mario Lanza de KAUST y sus co-investigadores han diseñado con éxito el primer microchip 2D del mundo utilizando materiales sintéticos. A pesar de los desafíos de fabricación, el equipo creó con éxito un chip que funciona como un elemento de red neuronal de bajo consumo y alto rendimiento, lo que abrió la puerta al avance de la tecnología de microchip. Crédito: © 2023 KAUST; mario lanza
La primera demostración de un microchip funcional que integra materiales bidimensionales atómicamente delgados con propiedades exóticas anuncia una nueva era en la microelectrónica.
En KAUST se fabricó el primer microchip funcional y completamente integrado del mundo basado en materiales bidimensionales exóticos. La innovación 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 e innovadoras debido a sus exóticas y prometedoras propiedades físicas. 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 el manejo de películas delgadas tan frágiles.
Inspirándose en los logros recientes del laboratorio de Lanza en 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 utilizando microcircuitos CMOS convencionales basados en silicio como base y técnicas estándar de fabricación de semiconductores”, dice Lanza. “Sin embargo, el desafío es que los materiales 2D sintéticos pueden contener defectos locales, como impurezas atómicas, que pueden hacer que los dispositivos pequeños fallen. Además, es muy difícil integrar el material 2D en el microchip sin dañarlo”.
El equipo de investigación optimizó el diseño del chip para facilitar la fabricación 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 las interconexiones en la parte inferior, donde el material 2D se puede transferir de manera confiable en almohadillas diminutas de menos de 0,25 micrómetros de diámetro.
“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 internamente”, 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 se puede ajustar 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 esta innovación insignia, ahora estamos en conversaciones con las principales empresas de semiconductores para seguir trabajando en esa 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”.
Referencia: «Microchips híbridos 2D-CMOS para aplicaciones memristivas» por Kaichen Zhu, Sebastian Pazos, Fernando Aguirre, Yaqing Shen, Yue Yuan, Wenwen Zheng, Osamah Alharbi, Marco A. Villena, Bin Fang, Xinyi Li, Alessandro Milozzi, Matteo Farronato , Miguel Muñoz-Rojo, Tao Wang, Ren Li, Hossein Fariborzi, Juan B. Roldan, Guenther Benstetter, Xixiang Zhang, Husam N. Alshareef, Tibor Grasser, Huaqiang Wu, Daniele Ielmini y Mario Lanza, 27 de marzo de 2023, Nature .
DOI: 10.1038/s41586-023-05973-1
