Un nuevo truco con plasma promete chips de computadora más pequeños y potentes

La industria de los semiconductores enfrenta un desafío importante: la necesidad de crear chips de computadora más pequeños y potentes. Silicon ha sido el material base durante décadas, pero sus limitaciones físicas han llevado a los investigadores a explorar nuevos materiales ultradelgados. Un grupo prometedor es el de los dicalcogenuros de metales de transición (TMD), entre los cuales se destaca el disulfuro de molibdeno, que tiene solo tres átomos de grosor.

Para desarrollar transistores que combinen silicio con materiales TMD, los fabricantes deben eliminar de manera selectiva los átomos de la capa superior de azufre, mientras que las capas inferiores deben permanecer intactas. Tradicionalmente, se utiliza plasma para remover los átomos de la superficie. Sin embargo, este proceso es delicado, ya que la diferencia entre eliminar átomos de azufre y dañar la capa de molibdeno subyacente es mínima.

Investigadores del Laboratorio de Física de Plasma de Princeton han estado trabajando en este tema durante 75 años. Utilizando simulaciones por computadora, encontraron que tratar el disulfuro de molibdeno con oxígeno o flúor antes de la exposición al plasma permite un control más preciso del proceso. Este hallazgo fue publicado en el Journal of Physical Chemistry Letters.

El tratamiento con oxígeno o flúor reduce significativamente la energía necesaria para eliminar los átomos de azufre. En una superficie sin tratar, se requieren aproximadamente 30 electronvolts para deslodar un átomo de azufre. Sin embargo, al agregar flúor, este umbral se reduce a unos 10 electronvolts, mientras que con oxígeno se sitúa en alrededor de 14 electronvolts.

Esta diferencia es crucial, ya que los iones de plasma no transportan la misma cantidad de energía. Al disminuir el umbral para la eliminación de azufre, se amplía la ventana operativa, lo que permite a los fabricantes eliminar la capa superior de azufre sin dañar el material subyacente.

Además, los investigadores encontraron que la química puede facilitar el proceso. Cuando un ion que llega impacta una superficie tratada con oxígeno, dos átomos de oxígeno pueden combinarse con un átomo de azufre cercano, formando dióxido de azufre, un gas estable que se puede eliminar fácilmente de la superficie. De manera similar, el flúor crea compuestos de azufre-flúor que son más fáciles de remover.

Yury Polyachenko, estudiante de posgrado en química en Princeton University y autor principal del estudio, comentó: "No estamos rompiendo directamente los enlaces. Estamos formando productos intermedios, como el dióxido de azufre, que son mucho más fáciles de desprender".

Los investigadores planean continuar sus estudios para comprender mejor los efectos del proceso. Polyachenko agregó: "El siguiente paso es determinar cuánto daño causa el proceso, no solo si causa daño. Después, queremos ver si este enfoque funciona para materiales relacionados, como intercambiar molibdeno por tungsteno o azufre por selenio, para averiguar cuán ampliamente se puede aplicar esta idea".

El equipo de investigación también incluyó a Igor Kaganovich y Shoaib Khalid del PPPL, junto con el exalumno del PPPL Yuri Barsukov. El trabajo fue apoyado por el Departamento de Energía de EE. UU., la Oficina de Ciencias, Ciencias de la Energía de Fusión y Ciencias de Energía Básica, como parte del Centro de Innovación en Litografía Extrema y Materiales, un Centro de Investigación en Microelectrónica, bajo el contrato número DEAC02-09CH11466.

Las simulaciones se realizaron en el Centro Nacional de Cómputo Científico de Energía (NERSC), una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía en el Laboratorio Nacional de Lawrence Berkeley, operada bajo el contrato número DE-AC02-05CH11231. Los recursos computacionales adicionales incluyeron los clústeres Stellar, Della y Tiger en Princeton University y el premio NERSC BES-ERCAP36136.

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