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Gli ingegneri sviluppano un nuovo percorso di integrazione per minuscoli transistor

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I ricercatori del Materials and Manufacturing Futures Institute hanno progettato il materiale. Credito: Robert Larger

I ricercatori dell’UNSW Sydney hanno sviluppato un materiale minuscolo, trasparente e flessibile da utilizzare come nuovo componente dielettrico (isolante) nei transistor. Il nuovo materiale consentirebbe ciò che l’elettronica a semiconduttore di silicio convenzionale non può fare: rimpicciolirsi senza comprometterne la funzione.

La ricerca, recentemente pubblicata in Natura, indica il potenziale per la produzione su larga scala di un transistor a effetto di campo 2D, un dispositivo utilizzato per controllare la corrente nell’elettronica. Il nuovo materiale potrebbe aiutare a superare le sfide della produzione di semiconduttori di silicio su scala nanometrica per la capacità dipendente (carica elettrica immagazzinata) e un comportamento di commutazione efficiente.

Secondo i ricercatori, questo è uno dei colli di bottiglia cruciali da risolvere per lo sviluppo di una nuova generazione di dispositivi elettronici futuristici, dalla realtà aumentata, display flessibili e nuovi indossabili, oltre a molte applicazioni ancora scoperte.

“Non solo apre un percorso critico per superare il limite fondamentale dell’attuale industria dei semiconduttori di silicio nella miniaturizzazione, ma colma anche una lacuna nelle applicazioni dei semiconduttori a causa della natura opaca e rigida del silicio”, afferma il professor Sean Li, UNSW Materials and Manufacturing Futures Institute (MMFI) Direttore e ricercatore principale sulla ricerca. “Contemporaneamente, la natura elastica e sottile potrebbe consentire la realizzazione di elettronica 2D flessibile e trasparente”.

Risolvere il problema del ridimensionamento dei semiconduttori

Un transistor è un piccolo dispositivo semiconduttore utilizzato come interruttore per segnali elettronici e sono un componente essenziale dei circuiti integrati. Tutta l’elettronica, dalle torce elettriche agli apparecchi acustici ai laptop, è resa possibile da varie disposizioni e interazioni dei transistor con altri componenti come resistori e condensatori.

Poiché i transistor sono diventati più piccoli e più potenti nel tempo, anche l’elettronica è diventata più piccola. Pensa al tuo telefono cellulare: un computer palmare compatto con una potenza di elaborazione maggiore rispetto ai computer che hanno inviato i primi astronauti sulla luna.

Ma c’è un problema di ridimensionamento. Lo sviluppo di un’elettronica più potente del futuro richiederà transistor con uno spessore sub-nanometrico, una dimensione che i semiconduttori di silicio convenzionali non possono raggiungere.

“Quando si verifica la miniaturizzazione microelettronica, i materiali attualmente utilizzati vengono spinti al limite a causa della perdita di energia e della dissipazione mentre i segnali passano da un transistor all’altro”, afferma il prof. Li.

I dispositivi microelettronici continuano a diminuire di dimensioni per raggiungere velocità più elevate. Quando si verifica questo restringimento, i parametri di progettazione vengono influenzati in modo tale che i materiali attualmente utilizzati vengono spinti al limite a causa della perdita e della dissipazione di energia mentre i segnali passano da un transistor all’altro. Gli attuali transistor più piccoli realizzati con semiconduttori a base di silicio sono 3 nanometri.

Per avere un’idea di quanto devono essere piccoli questi dispositivi, immagina un centimetro su un righello e poi conta i 10 millimetri di quel centimetro. Ora, in uno di quei millimetri, conta un altro milione di minuscoli segmenti: ognuno di questi è un nanometro o nm.

“Con tali limiti, c’è stata un’enorme spinta a innovare radicalmente nuovi materiali e tecnologie per soddisfare le insaziabili richieste del mercato globale della microelettronica”, afferma il prof. Li.

Gli ingegneri sviluppano un nuovo percorso di integrazione per minuscoli transistor

Il dottor Jing-Kai Huang, il dottor Ji Zhang, il dottor Junjie Shi e il professor Sean Li dell’UNSW Materials and Manufacturing Futures Institute. Credito: Robert Larger

Rompere il collo di bottiglia per l’elettronica del futuro

Per la ricerca, gli ingegneri di MMFI hanno fabbricato i transistor trasparenti ad effetto di campo utilizzando una membrana indipendente di titanato di stronzio a cristallo singolo (STO) come dielettrico di gate. Hanno scoperto che i loro nuovi dispositivi miniaturizzati corrispondevano alle prestazioni degli attuali transistor a effetto di campo a semiconduttore di silicio.

“L’innovazione chiave di questo lavoro è che abbiamo trasformato i materiali sfusi 3D convenzionali in una forma quasi 2D senza degradarne le proprietà”, afferma il dottor Jing-Kai Huang, autore principale del documento. “Ciò significa che può essere assemblato liberamente, come i blocchi LEGO, con altri materiali per creare transistor ad alte prestazioni per una varietà di applicazioni emergenti e sconosciute”.

Gli accademici MMFI hanno attinto alle loro diverse competenze per completare il lavoro.

“La fabbricazione di dispositivi coinvolge persone di diversi campi. Attraverso MMFI, abbiamo stabilito connessioni con accademici esperti nei campi dei dispositivi elettrici 2D e nell’industria dei semiconduttori”, afferma il dottor Ji Zhang, coautore dell’articolo.

“Il primo progetto consisteva nella fabbricazione della STO indipendente e nello studio delle sue proprietà elettriche. Con il progredire del progetto, si è evoluto nella fabbricazione di transistor 2D utilizzando la STO indipendente. Con l’aiuto della piattaforma creata da MMFI, siamo stati in grado di lavorare insieme per finire il progetto.”

Il team sta ora lavorando per la produzione su scala di wafer. In altre parole, sperano di vedere se il materiale può essere utilizzato per costruire tutti i circuiti per un intero computer su un chip.

“Sono stati raccolti ampi set di dati per supportare le prestazioni di questi dispositivi elettronici 2D, indicando la promessa della tecnologia per la produzione di wafer di grandi dimensioni e l’adozione industriale”, afferma il dottor Junjie Shi, un altro coautore dell’articolo.

“Il raggiungimento di questo ci consentirà di fabbricare circuiti più complessi con una densità più vicina ai prodotti commerciali. Questo è il passaggio cruciale per far sì che la nostra tecnologia raggiunga le persone”, afferma il dott. Huang.

I ricercatori affermano anche che il loro sviluppo è un passo promettente verso una nuova era dell’elettronica e della resilienza della produzione locale.

“Dalla mutevole geopolitica e alla pandemia, abbiamo assistito a più interruzioni nella catena di approvvigionamento globale dei semiconduttori e riteniamo che questa sia anche un’opportunità per l’Australia di unirsi e rafforzare questa catena di approvvigionamento con la nostra tecnologia unica nel prossimo futuro”, ha affermato il dott. Huang dice.

Attualmente, la tecnologia è protetta da due domande di brevetto provvisorie australiane, con MMFI e UNSW che cercano di commercializzare la proprietà intellettuale e portarla sul mercato.

“Attualmente stiamo fabbricando circuiti logici con i transistor”, afferma il prof. Li. “Allo stesso tempo, ci stiamo rivolgendo a diverse industrie leader nella regione Asia-Pacifico per attrarre investimenti e stabilire una capacità di produzione di semiconduttori nel NSW attraverso l’industrializzazione di questa tecnologia”.


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