Pioneirismo na tecnologia além do silício por meio de transistores de efeito de campo livres de resíduos

Uma revolução na tecnologia está no horizonte e está prestes a mudar os dispositivos que usamos. Sob a liderança do professor Lee Young Hee, uma equipe de pesquisadores do Centro de Física Integrada de Nanoestruturas do Instituto de Ciências Básicas (IBS), na Coreia do Sul, revelou uma nova descoberta que pode melhorar muito a fabricação de transistores de efeito de campo ( FET).

Sua pesquisa é publicada em Nanotecnologia da Natureza.

Um transistor de efeito de campo (FET) de alto desempenho é um elemento essencial para a próxima geração de tecnologias de semicondutores baseadas em silício. A atual tecnologia de silício tridimensional sofre degradação do desempenho do FET quando o dispositivo é miniaturizado além de escalas sub-3 nm.

Para superar esse limite, os pesquisadores estudaram dichalcogenetos de metais de transição (TMDs) bidimensionais (2D) com espessura de um átomo (~ 0,7 nm) como uma plataforma FET ideal na última década. No entanto, as suas aplicações práticas são limitadas devido à incapacidade de demonstrar integração à escala wafer.

Um grande problema são os resíduos que ocorrem durante a fabricação. Tradicionalmente, o polimetilmetacrilato (PMMA) é usado como suporte para transferência de dispositivos. Este material é conhecido por deixar resíduos isolantes nas superfícies do TMD, o que muitas vezes gera danos mecânicos à frágil folha do TMD durante a transferência.

Como alternativa ao PMMA, vários outros polímeros, como polidimetilsiloxano (PDMS), álcool polivinílico (PVA), poliestireno (PS), policarbonato (PC), etileno vinil acetato (EVA), polivinilpirrolidona (PVP) e moléculas orgânicas, incluindo parafina, celulose acetato e naftaleno foram todos propostos como suporte de apoio. No entanto, resíduos e danos mecânicos são inevitavelmente introduzidos durante a transferência, o que leva à degradação do desempenho do FET.

Os pesquisadores do IBS abordaram esse problema e fizeram uma descoberta intrigante ao aproveitar com sucesso o carbonato de polipropileno (PPC) para uma transferência úmida sem resíduos. O uso de PPC não apenas eliminou resíduos, mas também permitiu a produção de TMD em escala de wafer usando deposição química de vapor. Tentativas anteriores de fabricação de DTMs em larga escala frequentemente resultavam em rugas, que ocorrem durante o processo de transferência. A fraca afinidade de ligação entre o PPC e o TMD não apenas eliminou resíduos, mas também rugas.

Ashok Mondal, o primeiro autor do estudo, disse: “O método de transferência PPC que escolhemos nos permite fabricar TMDs em escala centimétrica. Anteriormente, o TMD era limitado a ser produzido usando um método de estampagem, que gera flocos com apenas 30- 40 μm de tamanho.”

Os pesquisadores construíram um dispositivo FET usando um eletrodo de contato semimetálico Bi com uma monocamada de MoS₂, que foi transferido pelo método PPC. Menos de 0,08% do resíduo de PPC foi encontrado no MoS₂ camada. Graças à falta de resíduos interfaciais, descobriu-se que o dispositivo tinha uma resistência de contato ôhmica de R_C ~78 Ω-µm, que está próximo do limite quântico. Uma relação liga/desliga de corrente ultra-alta de ~10¹¹ a 15 K e uma alta corrente de ~ 1,4 mA/µm também foram alcançadas usando o substrato h-BN.

Esta descoberta foi a primeira no mundo que demonstrou a produção e transferência em escala de wafer de DTM cultivada por DCV. Descobriu-se que o dispositivo FET de última geração produzido desta forma possui propriedades elétricas que excedem em muito os valores relatados anteriormente. Acredita-se que esta tecnologia possa ser facilmente implementada utilizando a tecnologia de fabricação de circuitos integrados atualmente disponível.

Dr. Chandan Biswas, co-autor correspondente do estudo, disse: “Espera-se que nosso sucesso na técnica de transferência de PPC sem resíduos encoraje outros pesquisadores a desenvolver melhorias adicionais em vários dispositivos de DTM no futuro”.