Immagine copertina generata con l’intelligenza artificiale
Una ricerca del Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), condotta in collaborazione con altri istituti, ha sviluppato un metodo per controllare con precisione il punto in cui iniziano a formarsi i cristalli dei semiconduttori bidimensionali. Il risultato affronta uno dei problemi che ostacolano la produzione di chip impilati, con potenziali benefici per la velocità di elaborazione e i consumi energetici dei sistemi di intelligenza artificiale.
Perché i semiconduttori 2D sono importanti per i chip AI
I semiconduttori bidimensionali hanno uno spessore di pochi strati atomici, ma conservano le proprietà elettriche necessarie per realizzare dispositivi elettronici. Questa caratteristica li rende particolarmente interessanti per sviluppare chip con più livelli sovrapposti, nei quali le unità di calcolo e quelle dedicate alla memoria possono essere collocate più vicine.
Ridurre la distanza percorsa dai dati permette infatti di limitare i ritardi e l’energia impiegata per trasferirli all’interno del chip. Per ottenere questi vantaggi, tuttavia, è necessario riuscire a formare materiali semiconduttori di alta qualità direttamente nelle posizioni previste, anche sopra circuiti già fabbricati.
La crescita controllata rappresenta quindi un passaggio importante per rendere possibile l’integrazione verticale di nuovi dispositivi senza dover realizzare separatamente tutti gli strati e trasferirli successivamente.
Il problema della formazione casuale dei cristalli
Durante la crescita di una pellicola semiconduttrice, i cristalli possono iniziare a formarsi in punti diversi e imprevedibili. Quando strutture cresciute separatamente si incontrano, si creano dei confini tra i grani cristallini, che ostacolano il movimento degli elettroni e possono compromettere la qualità del materiale.
Esistono già tecniche per delimitare le aree nelle quali un semiconduttore può crescere. Rimaneva però difficile controllare con esattezza il punto di partenza dei cristalli e il loro numero all’interno delle zone selezionate.
Il gruppo guidato dal professor Kibum Kang, del dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali del KAIST, ha affrontato proprio questo limite. La ricerca, realizzata con la collaborazione di UNIST, Hanyang University e TDS Innovation, è stata pubblicata sulla rivista Nature.
Ossigeno e crescita controllata: come funziona la tecnica
Il metodo sviluppato dai ricercatori si chiama etching-flux-mediated single-centered nucleation (EF-SCN). Il principio consiste nello sfruttare l’ossigeno rilasciato da una barriera di ossido, come l’ossido di afnio (HfO₂), che circonda l’area di crescita.
L’ossigeno agisce come un flusso chimico capace di sopprimere la formazione dei nuclei cristallini del disolfuro di molibdeno (MoS₂), uno dei semiconduttori bidimensionali studiati. L’effetto è più intenso vicino ai bordi della barriera e diminuisce procedendo verso il centro.
Questa differenza consente di favorire la nascita di un singolo cristallo in una posizione prestabilita, limitando contemporaneamente la formazione di altri nuclei nelle zone circostanti. Il cristallo iniziale può così continuare a crescere senza essere ostacolato dall’incontro con altre strutture.
Oltre il 99% di successo negli esperimenti
I risultati sperimentali mostrano la precisione raggiunta dalla tecnica: i ricercatori sono riusciti a ottenere un singolo cristallo di MoS₂ nella posizione centrale designata in oltre il 99% di 400 diversi schemi analizzati.
Il gruppo ha inoltre realizzato eterostrutture laterali MoS₂–MoSe₂, depositando selettivamente una sottile pellicola di rutenio metallico sulle sole regioni di diseleniuro di molibdeno (MoSe₂). Esperimenti di crescita e simulazioni hanno permesso di approfondire anche il meccanismo alla base del controllo della posizione.
Verso la produzione diretta dei semiconduttori sui chip
Il risultato più rilevante consiste nel trasformare un processo finora soggetto al caso in un parametro progettato in anticipo. La tecnica potrebbe consentire di far crescere semiconduttori bidimensionali di qualità direttamente nei punti necessari di un chip, evitando il passaggio della produzione separata e del successivo trasferimento.
Secondo i ricercatori, i semiconduttori depositati potrebbero trovare applicazione nel corso degli anni Trenta per migliorare le prestazioni dei chip AI e ridurne i consumi. L’integrazione in architetture impilate potrebbe diminuire l’energia richiesta per lo spostamento dei dati e contribuire a ridurre i tempi di risposta dei sistemi di intelligenza artificiale, oltre al fabbisogno energetico dei data center.
La tecnica potrebbe inoltre costituire una base per lo sviluppo di dispositivi a canali sovrapposti, nei quali i semiconduttori vengono integrati verticalmente direttamente nelle posizioni richieste dal progetto.
Fonte: Techxplore
