Imagen. / MIT

La industria electrónica se está acercando al límite de transistores que se pueden colocar en la superficie de un chip de computadora, por lo que los fabricantes de chips buscan aumentarlos en lugar de eliminarlos.

En lugar de comprimir transistores cada vez más pequeños en una única superficie, la industria pretende apilar múltiples superficies de transistores y elementos semiconductores, algo similar a convertir una casa de campo en un rascacielos. Estos chips multicapa podrían manejar exponencialmente más datos y llevar a cabo funciones mucho más complejas que los dispositivos electrónicos actuales.

Sin embargo, un obstáculo importante es la plataforma sobre la que se construyen los chips. Hoy en día, las voluminosas obleas de silicio sirven como andamiaje principal sobre el que se desarrollan los elementos semiconductores monocristalinos de alta calidad. Cualquier chip apilable tendría que incluir un “suelo” de silicio grueso como parte de cada capa, lo que ralentizaría cualquier comunicación entre capas semiconductoras funcionales.

Ahora, los ingenieros del MIT han encontrado una forma de superar este obstáculo, con un diseño de chip multicapa que no requiere ningún sustrato de oblea de silicio y funciona a temperaturas lo suficientemente bajas para preservar los circuitos de la capa subyacente.

En un estudio que aparece hoy en la revista Nature, el equipo informa sobre el uso del nuevo método para fabricar un chip multicapa con capas alternas de material semiconductor de alta calidad cultivadas directamente una sobre otra.

El método permite a los ingenieros construir transistores de alto rendimiento y elementos de memoria y lógica sobre cualquier superficie cristalina aleatoria, no solo sobre el voluminoso armazón cristalino de las obleas de silicio. Sin estos gruesos sustratos de silicio, múltiples capas semiconductoras pueden estar en contacto más directo, lo que conduce a una comunicación y computación mejores y más rápidas entre capas, afirman los investigadores.

Los investigadores imaginan que el método podría usarse para construir hardware de IA, en forma de chips apilados para computadoras portátiles o dispositivos portátiles, que serían tan rápidos y potentes como las supercomputadoras actuales y podrían almacenar enormes cantidades de datos a la par de los centros de datos físicos.

“Este avance abre un enorme potencial para la industria de los semiconductores, ya que permite apilar chips sin las limitaciones tradicionales”, afirma el autor del estudio Jeehwan Kim, profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT. “Esto podría conducir a mejoras de órdenes de magnitud en la potencia informática para aplicaciones en inteligencia artificial, lógica y memoria”.

Los coautores del estudio del MIT incluyen al primer autor Ki Seok Kim, Seunghwan Seo, Doyoon Lee, Jung-El Ryu, Jekyung Kim, Jun Min Suh, June-chul Shin, Min-Kyu Song, Jin Feng y Sangho Lee, junto con colaboradores del Instituto Avanzado de Tecnología de Samsung, la Universidad Sungkyunkwan en Corea del Sur y la Universidad de Texas en Dallas.

Bolsas de semillas

En 2023, el grupo de Kim informó que había desarrollado un método para cultivar materiales semiconductores de alta calidad en superficies amorfas, similares a la diversa topografía de los circuitos semiconductores en los chips terminados. El material que cultivaron era un tipo de material 2D conocido como dicalcogenuros de metales de transición, o TMD, considerado un prometedor sucesor del silicio para fabricar transistores más pequeños y de alto rendimiento. Estos materiales 2D pueden mantener sus propiedades semiconductoras incluso en escalas tan pequeñas como un solo átomo, mientras que el rendimiento del silicio se degrada drásticamente.

En su trabajo anterior, el equipo desarrolló TMD sobre obleas de silicio con recubrimientos amorfos, así como sobre TMD ya existentes. Para estimular a los átomos a organizarse en una forma monocristalina de alta calidad, en lugar de en un desorden policristalino aleatorio, Kim y sus colegas primero cubrieron una oblea de silicio con una película muy fina, o "máscara" de dióxido de silicio, que modelaron con pequeñas aberturas o bolsas. Luego hicieron fluir un gas de átomos sobre la máscara y descubrieron que los átomos se asentaban en las bolsas como "semillas". Las bolsas confinaban a las semillas para que crecieran en patrones monocristalinos regulares.

Pero en aquel momento, el método sólo funcionaba a unos 900 grados centígrados.

“Hay que cultivar este material monocristalino a temperaturas inferiores a los 400 grados Celsius, de lo contrario el circuito subyacente se estropea por completo”, afirma Kim. “Por eso, nuestra tarea consistía en aplicar una técnica similar a temperaturas inferiores a los 400 grados Celsius. Si pudiéramos hacerlo, el impacto sería considerable”.

Construyendo

En su nuevo trabajo, Kim y sus colegas buscaron perfeccionar su método para hacer crecer materiales monocristalinos en 2D a temperaturas lo suficientemente bajas como para preservar cualquier circuito subyacente. Encontraron una solución sorprendentemente simple en la metalurgia, la ciencia y el oficio de la producción de metales. Cuando los metalúrgicos vierten metal fundido en un molde, el líquido se “nuclea” lentamente, o forma granos que crecen y se fusionan en un cristal con un patrón regular que se endurece hasta alcanzar una forma sólida. Los metalúrgicos han descubierto que esta nucleación ocurre más fácilmente en los bordes de un molde en el que se vierte el metal líquido.

“Se sabe que la nucleación en los bordes requiere menos energía y calor”, afirma Kim. “Por eso, tomamos prestado este concepto de la metalurgia para utilizarlo en el futuro hardware de inteligencia artificial”.

El equipo intentó cultivar TMD monocristalinos en una oblea de silicio que ya había sido fabricada con circuitos de transistores. Primero cubrieron el circuito con una máscara de dióxido de silicio, tal como en su trabajo anterior. Luego depositaron "semillas" de TMD en los bordes de cada una de las cavidades de la máscara y descubrieron que estas semillas de los bordes crecían hasta convertirse en material monocristalino a temperaturas tan bajas como 380 grados Celsius, en comparación con las semillas que comenzaron a crecer en el centro, lejos de los bordes de cada cavidad, lo que requirió temperaturas más altas para formar material monocristalino.

Yendo un paso más allá, los investigadores utilizaron el nuevo método para fabricar un chip multicapa con capas alternas de dos TMD diferentes: disulfuro de molibdeno, un candidato prometedor para fabricar transistores de tipo n, y diseleniuro de tungsteno, un material que tiene potencial para convertirse en transistores de tipo p. Tanto los transistores de tipo p como los de tipo n son los bloques de construcción electrónicos para llevar a cabo cualquier operación lógica. El equipo pudo cultivar ambos materiales en forma monocristalina, directamente uno sobre el otro, sin necesidad de obleas de silicio intermedias. Kim dice que el método duplicará efectivamente la densidad de los elementos semiconductores de un chip y, en particular, el semiconductor de óxido metálico (CMOS), que es un bloque de construcción básico de un circuito lógico moderno.

“Un producto creado con nuestra técnica no es solo un chip lógico 3D, sino también una memoria 3D y sus combinaciones”, afirma Kim. “Con nuestro método 3D monolítico basado en el crecimiento, se podrían crear decenas o cientos de capas lógicas y de memoria, una encima de otra, y podrían comunicarse muy bien”.

“Los chips 3D convencionales se han fabricado con obleas de silicio en el medio, perforando agujeros a través de la oblea, un proceso que limita el número de capas apiladas, la resolución de la alineación vertical y los rendimientos”, añade el primer autor Kiseok Kim. “Nuestro método basado en el crecimiento aborda todos esos problemas a la vez”. 

Para comercializar aún más su diseño de chip apilable, Kim creó recientemente una empresa, FS2 (Future Semiconductor 2D materials)

“Hasta ahora hemos mostrado un concepto en una matriz de dispositivos a pequeña escala”, afirma. “El siguiente paso es ampliarlo para mostrar el funcionamiento profesional de los chips de IA”.

Esta investigación cuenta con el apoyo, en parte, del Samsung Advanced Institute of Technology y de la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea de Estados Unidos. 

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