Attenzione al divario: l'industria dei semiconduttori si affida ai materiali sbagliati

La miniaturizzazione dei componenti elettronici è stata una storia di enorme successo, che ha guidato il progresso tecnologico per decenni. Si sta già lavorando alla prossima rivoluzione dei chip per computer: i materiali 2D - strati ultrasottili composti da uno o pochi strati atomici - potrebbero essere ideali per strutture elettroniche ancora più piccole.

Tuttavia, i ricercatori della TU Wien hanno ora dimostrato che molti materiali 2D, un tempo considerati molto promettenti, sono in realtà inadatti a questo scopo. Non è sufficiente studiare le proprietà del materiale in sé, ma è necessario prendere in considerazione anche gli effetti di interfaccia. Quando i materiali 2D sono combinati con uno strato isolante, si forma inevitabilmente una lacuna estremamente sottile tra di essi, degradando drasticamente le loro proprietà elettroniche. La buona notizia è che questo approccio permette ai ricercatori di identificare quali materiali non sono affetti da questo problema, evitando all'industria dei semiconduttori di investire miliardi in tecnologie che sono fondamentalmente limitate dalle leggi della fisica.

Non è solo il materiale, ma anche l'interfaccia

"Per molti anni, i ricercatori sono stati giustamente affascinati dalle notevoli proprietà elettroniche di nuovi materiali 2D come il grafene o il bisolfuro di molibdeno", afferma il Prof. Mahdi Pourfath, che ha condotto la ricerca insieme al Prof. Tibor Grasser presso l'Istituto di Microelettronica della TU Wien. "Tuttavia, ciò che viene spesso trascurato è che un materiale 2D da solo non basta a creare un dispositivo elettronico. È necessario anche uno strato isolante, di solito un ossido. Ed è qui che le cose si complicano dal punto di vista della scienza dei materiali".

Il concetto di base dei transistor utilizzati nei chip dei computer è semplice: la conduttività di un semiconduttore - che può essere anche un materiale 2D ultrasottile - può essere modulata tra stati conduttori e non conduttori. Quale di questi stati si verifica è controllato dal gate, un elettrodo che deve essere separato dal materiale attivo da uno strato isolante.

Attenzione al gap!

Questo strato isolante deve essere il più sottile possibile per consentire un controllo preciso dei campi elettrici nel materiale 2D, permettendo di realizzare dispositivi estremamente piccoli e compatti. Tuttavia, quando queste strutture vengono analizzate su scala atomica, emerge un problema che finora ha ricevuto poca attenzione.

"In molte combinazioni di materiali 2D e strati isolanti, il legame tra di essi è relativamente debole", spiega Grasser. "Sono tenuti insieme solo dalle cosiddette forze di van der Waals, che forniscono solo una debole attrazione tra il semiconduttore e l'isolante. Di conseguenza, i due strati non entrano in stretto contatto: c'è sempre uno spazio tra di loro".

Questo spazio è minuscolo: circa 0,14 nanometri, più sottile di un singolo atomo di zolfo, eppure ha un impatto notevole sulle prestazioni elettroniche. Un virus SARS-CoV-2, per fare un confronto, è circa 700 volte più grande. "Questo gap indebolisce l'accoppiamento capacitivo tra gli strati. Per quanto buone possano essere le proprietà intrinseche dei materiali, il gap può diventare il fattore limitante. Finché esiste, impone un limite fondamentale alla miniaturizzazione di questi dispositivi".

La soluzione: materiali "cerniera"

"Se l'industria dei semiconduttori vuole avere successo con i materiali 2D, lo strato attivo e quello isolante devono essere progettati insieme fin dall'inizio", sottolinea Mahdi Pourfath. Esistono soluzioni possibili: i cosiddetti "materiali a cerniera" combinano entrambi gli aspetti. Il semiconduttore e l'isolante si incastrano l'uno con l'altro: non sono solo collegati vagamente dalle forze di van der Waals, ma formano un legame più forte che elimina il gap.

"Il nostro lavoro è una buona notizia per l'industria dei semiconduttori", afferma Tibor Grasser. "Possiamo prevedere quali materiali sono adatti alle future fasi di miniaturizzazione e quali no. Ma se ci si concentra solo sui materiali 2D in sé, senza considerare gli inevitabili strati isolanti fin dall'inizio, si rischia di investire miliardi in un approccio che semplicemente non può avere successo per ragioni fisiche fondamentali."