Una nuova tecnica per pellicole semiconduttori su scala atomica

Un gruppo di ricercatori della North Carolina State University ha sviluppato una nuova tecnica per la realizzazione di sottili pellicole di semiconduttori su scala atomica, ovvero dello spessore di appena un atomo. La tecnica può essere impiegata per realizzare queste pellicole su larga scala, in maniera che sia possibile ricoprire wafer da cinque centimetri di diametro in su.

Linyou Cao, assistente professore di sicenze ed ingegneria dei materiali presso la NC State, e principale autore della pubblicazione che descrive la ricerca, ha commentato: "Tutto ciò potrebbe essere usato per portare le attuali tecnologie di semiconduttori su scala atomica - laser, LED, chip di computer, ogni cosa. Si è parlato di questo concetto per lungo tempo, anche se irrealizzabile. Con questa scoperta io penso che ora sia possibile".

I ricecatori hanno laborato con il solfuro di molibdeno (MoS₂), un materiale semiconduttore economico con proprietà elettroniche e ottiche simile a quelle dei materiali già usati nel settore dei semiconduttori. In ogni caso il MoS₂ è differente da altri materiali semiconduttori dal momento che può essere fatto "crescere" in strati dello spessore di un atomo senza che le sue proprietà vengano compromesse.

I ricercatori hanno usato polveri di zolfo e di cloruro di molibdeno collocandole in una fornace e portando gradualmente la temperatura a 850°C. Le polveri si vaporizzano e reagiscono ad elevata temperatura formando il solfuro di molibeno, che si deposita in strati sottili sulla superficie di un substrato. "La chiave del nostro successo è lo sviluppo di un nuovo meccanismo di crescita, una crescita auto-limitante" ha dichiarato Cao.

Lo spessore dello strato di MoS₂ può essere controllato con precisione grazie ad un opportuno bilanciamento tra la pressione parziale e la pressione di vapore all'interno della fornace. La pressione parziale è la tendenza degli atomi o delle molecole sospese nell'aria di condensare in un solido e depositarsi mentre la pressione di vapore è la tendenza degli atomi o molecole solide di vaporizzarsi e risalire nell'aria.

Perché sia possibile creare un singolo strato di solfuro di molibdeno, la pressione parziale deve essere più elevata della pressione di vapore. Più elevata è la pressione parziale, più strati di MoS₂ si depositeranno sul substrato. Se la pressione parziale è più elevata della pressione di vapore di un singolo strato di atomi sul substrato, ma non più elevata della pressione di vapore di due strati, il bilanciamento tra la pressione parziale e la pressione di vapore può assicurare che la crescita della pellicola si arresti automaticamente con la formazione di un monostrato. E' possibile controllare la pressione parziale tramite il quantitativo di cloruro di molibdeno nella fornace: maggiore è il cloruro di molibdeno, più elevate è la pressione parziale.

"L'impiego di questa tecnica ci consente di creare monostrati di pellicola MoS₂ sufficienti a ricoprire un wafer. Possiamo produrre strati dallo spessore di due, tre o quattro atomi" ha spiegato Cao. Il team di ricercatori sta lavorando ora alla messa a punto di varie modalità che permettano di creare pellicole simili dove però ciascuno strato atomico sia composto da materiali differenti. Cao sta inoltre lavorando alla realizzazione di un transistor FET e di LED utilizzando la nuova tecnica.