- La tecnología desarrollada por investigadores surcoreanos permite controlar la formación de cristales con una tasa de éxito superior al 99%.
- El método resuelve el principal obstáculo en la fabricación de chips apilados, garantizando la formación precisa de las capas semiconductoras.
- Los investigadores utilizan una barrera de óxido que libera oxígeno para controlar el punto de inicio del crecimiento del cristal.
- Las propiedades de los semiconductores bidimensionales los convierten en foco de investigación para los materiales de chips del futuro.
Los investigadores surcoreanos han desarrollado una tecnología de fabricación de semiconductores que permite controlar la formación de cristales individuales con una tasa de éxito superior al 99% en 400 zonas de crecimiento patrón, tecnología que se espera ayude a los fabricantes a construir chips de computación apilados verticalmente. Esta tecnología permite a los investigadores crecer cristales individuales de disulfuro de molibdeno (MoS₂) en posiciones predeterminadas; este semiconductor tiene solo unas pocas capas atómicas de espesor, en lugar de permitir que se formen múltiples cristales de forma aleatoria. El equipo liderado por el Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea (KAIST), en colaboración con UNIST, la Universidad Hanyang y TDS Innovation, desarrolló este método, que utiliza el oxígeno liberado desde una barrera de óxido para controlar el punto de inicio del crecimiento del cristal.
Superar el obstáculo de los chips apilados
Los investigadores afirman que este método puede resolver uno de los principales obstáculos en la fabricación de chips apilados: las capas semiconductoras deben formarse con precisión sobre los circuitos existentes para evitar la introducción de defectos que afecten el rendimiento.
El oxígeno controla la formación de cristales. Los métodos tradicionales de crecimiento de semiconductores pueden definir la zona aproximada donde se forma la película, pero controlar el punto de inicio exacto de cada cristal sigue siendo difícil. Cuando varios cristales crecen de forma independiente y se encuentran, forman fronteras de grano. Estas fronteras perturban la disposición regular de los átomos y pueden interferir con el movimiento de los electrones en el semiconductor. Los investigadores desarrollaron un proceso denominado nucleación de un solo centro mediada por flujo de grabado (EF-SCN). La nucleación es la fase inicial de la formación del cristal, cuando los átomos comienzan a organizarse en una estructura ordenada. El proceso emplea una barrera de óxido, como el óxido de hafnio (HfO₂), que rodea la zona de crecimiento designada.
El oxígeno liberado desde la barrera actúa como agente de grabado, suprimiendo la formación de cristales no deseados. La influencia del oxígeno es más fuerte en los bordes de la zona patrón y disminuye gradualmente hacia el centro. Esto crea condiciones favorables para la formación de un cristal en un único punto central. Una vez que comienza el crecimiento en ese punto, el proceso también inhibe la aparición de cristales adicionales en las proximidades.
El futuro de los semiconductores bidimensionales
Con este método, los investigadores lograron crecer cristales individuales de MoS₂ en la posición central designada en más del 99% de los 400 patrones. El equipo también demostró la deposición selectiva de metal utilizando estructuras que combinan disulfuro de molibdeno y diseleniuro de molibdeno (MoSe₂). En estas estructuras, una fina capa de platino se forma selectivamente sobre las regiones de MoSe₂, lo que muestra otra forma de controlar la colocación de materiales durante la fabricación de semiconductores.
Los chips apilados se acercan cada vez más. Dado que los semiconductores bidimensionales conservan sus propiedades semiconductoras incluso con solo unas pocas capas atómicas de espesor, se investigan como materiales para los chips del futuro. Su reducido grosor podría permitir a los fabricantes apilar verticalmente componentes de computación y memoria, reduciendo la distancia que deben recorrer los datos entre ellos. Mover datos dentro del chip consume energía y genera latencia de procesamiento; colocar los componentes más cerca reduce estos costes, especialmente en sistemas que manejan grandes cargas de trabajo computacionales. Sin embargo, la producción de estos chips requiere un control preciso del crecimiento semiconductor sobre superficies que ya contienen circuitos fabricados previamente.
La tecnología de KAIST ofrece un posible método para crecer directamente materiales bidimensionales de alta calidad en las posiciones designadas, eliminando la necesidad de fabricarlos por separado y transferirlos al chip.
Los investigadores verificaron el mecanismo mediante experimentos de crecimiento y simulaciones, pero aún no han demostrado un procesador apilado completo ni medido mejoras en la velocidad de cálculo o el consumo de energía. El estudio establece el control de la nucleación del cristal, no el rendimiento de chips comerciales. Se necesita un desarrollo adicional para determinar si el método puede integrarse a gran escala en la fabricación de semiconductores. La investigación se publicó el 10 月 8 日 en la revista 《自然》.
El impacto potencial de la nueva tecnología en la fabricación de semiconductores
El desarrollo de esta tecnología tiene una gran importancia para la industria de semiconductores, ya que resuelve eficazmente el problema del control preciso en la fabricación de chips apilados. Con el auge de los materiales semiconductores bidimensionales, esta tecnología no solo puede mejorar la eficiencia de producción, sino también fomentar la aparición de componentes de computación más miniaturizados y de alto rendimiento. Esto es crucial para el crecimiento de la demanda computacional futura y la reducción del consumo energético. No obstante, la aplicación comercial de la tecnología aún requiere más validación y mejoras, lo que determinará su valor real en el mercado.