Ilustración artística de tecnología de silicio combinada con materiales 2D. Crédito: ICFO / F. Vialla

La tecnología de semiconductores de silicio ha hecho maravillas para el avance de nuestra sociedad, que se ha beneficiado enormemente de su uso versátil y sus increíbles capacidades. El desarrollo de la electrónica, la automatización, las computadoras, las cámaras digitales y los teléfonos inteligentes recientes basados ​​en este material y su tecnología de base se ha disparado, reduciendo el tamaño físico de los dispositivos y cables al régimen de nanómetros.

Aunque esta tecnología se ha desarrollado desde fines de la década de 1960, la miniaturización de los circuitos parece haber alcanzado un posible punto final, ya que los transistores solo pueden reducirse a un cierto tamaño y no más. Por lo tanto, existe una necesidad apremiante de complementar la tecnología Si CMOS con nuevos materiales y cumplir con los requisitos informáticos futuros, así como las necesidades de diversificación de aplicaciones.

Ahora, el grafeno y los materiales bidimensionales (2-D) relacionados ofrecen perspectivas de avances sin precedentes en el rendimiento del dispositivo en el límite atómico. Su sorprendente potencial ha demostrado ser una posible solución para superar las limitaciones de la tecnología de silicio, donde la combinación de materiales 2-D con chips de silicio promete superar las limitaciones tecnológicas actuales.

En un nuevo artículo de revisión en Nature , un equipo de investigadores internacionales, incluidos los investigadores de ICFO Dr. Stijn Goossens y el profesor de ICREA en ICFO Frank Koppens, y los líderes industriales de IMEC y TSMC se han unido para proporcionar una revisión profunda y exhaustiva sobre las oportunidades , progreso y desafíos de la integración de materiales atómicamente delgados con tecnología basada en Si. Proporcionan información sobre cómo y por qué los materiales 2-D (2DM) pueden superar los desafíos actuales planteados por la tecnología existente y cómo pueden mejorar tanto la función como el rendimiento de los componentes del dispositivo, para mejorar las características de las tecnologías futuras, en las áreas de computación y no -Aplicaciones computacionales.

Para aplicaciones no computacionales, revisan la posible integración de estos materiales para cámaras futuras, comunicaciones de datos ópticos de baja potencia y sensores de gas y biosensores. En particular, los sensores de imagen y los fotodetectores, son áreas donde el grafeno y los 2DM podrían permitir una nueva visión en el rango de infrarrojos y terahercios además del rango visible del espectro. Estos pueden servir, por ejemplo, en vehículos autónomos, seguridad en aeropuertos y realidad aumentada.

Para los sistemas computacionales, y en particular en el campo de los transistores, muestran cómo los desafíos como el dopaje, la resistencia de contacto y la dieléctrica / encapsulación se pueden disminuir al integrar 2DM con tecnología Si. Los 2DM también podrían mejorar radicalmente la memoria y los dispositivos de almacenamiento de datos con nuevos mecanismos de conmutación para estructuras meta-aislantes de metal, evitar las corrientes furtivas en los arreglos de memoria, o incluso impulsar las ganancias de rendimiento de los circuitos basados ​​en cable de cobre al adherir grafeno a los materiales de barrera de cobre ultradelgados y así reduce la resistencia, la dispersión y el autocalentamiento.

La revisión proporciona información a todos los interesados ​​sobre los desafíos y el impacto de resolver la integración de materiales en 2D con la tecnología CMOS. Proporciona una hoja de ruta de integración 2-D y tecnología CMOS, señalando la etapa en la que todos los desafíos relacionados con el crecimiento, la transferencia, la interfaz, el dopaje, el contacto y el diseño se encuentran actualmente en pie y qué posibles procesos se espera que se resuelvan para lograr tales objetivos. de pasar de un entorno de laboratorio de investigación a una línea piloto para la producción de los primeros dispositivos que combinan ambas tecnologías.

La primera hoja de ruta 2-D material-CMOS, como se presenta en esta revisión, ofrece una visión emocionante en el futuro, con la primera producción piloto que se espera dentro de unos años.