Copiar e colar chega ao mundo real, replicando semicondutores à vontade

Redação do Site Inovação Tecnológica - 25/08/2023

Diagrama esquemático do crescimento epitaxial remoto, um autêntico copiar e colar para o mundo real.
[Imagem: Hoe-Min Kwak et al. - 10.1021/acsnano.3c02565]

Epitaxia remota

A tão popular técnica do copiar e colar, que até hoje só funcionava nos softwares, começou a funcionar na fabricação do próprio hardware dos computadores, e poderá avançar em várias outras frentes.

Uma das técnicas mais usadas na fabricação de chips chama-se epitaxia, essencialmente um método de deposição de uma película de um material cristalino sobre um substrato de outro material cristalino. Essa película é chamada de película epitaxial, ou camada epitaxial - o termo vem dos termos gregos epi, que significa "acima", e taxis, que significa "de maneira ordenada".

Em 2017, o professor Jihwan Kim, do MIT, propôs um conceito de "epitaxia remota", que permitiria colocar um material bidimensional, ou monoatômico (como o grafeno), sobre uma pastilha (de silício, por exemplo) e cultivar um semicondutor em cima daquele material monoatômico. Isto torna possível obter um material semicondutor de alta qualidade, na forma de um filme fino, que "copia" as características exatas da pastilha. Então, é só "descascar" o semicondutor, separando-o da pastilha, e colocá-lo no chip.

Então, teoricamente, é só ir repetindo indefinidamente esse processo para que a pastilha seja reutilizada vezes sem conta, literalmente copiando e colando os componentes semicondutores.

Agora, pesquisadores do Instituto de Ciência e Tecnologia de Gwangju, na Coreia do Sul, conseguiram pela primeira vez viabilizar esse copiar e colar do mundo real.

Primeiros testes do copiar e colar, ainda na etapa de caracterização dos cristais semicondutores.
[Imagem: Hoe-Min Kwak et al. - 10.1021/acsnano.3c02565]

Como os semicondutores são fabricados

A estrutura de um semicondutor consiste em grande parte de uma pastilha (wafer) e um material semicondutor, assim como se constrói um edifício (material semicondutor) sobre uma fundação (pastilha). Para construir bons "edifícios semicondutores", você precisa de silício e de carboneto de silício, enquanto a fundação é feita de safira ou materiais similares. Os semicondutores são feitos nessas pastilhas pela tecnologia epitaxial, que desenvolve filmes finos do mesmo material ou de materiais semelhantes em formas altamente ordenadas.

No entanto, com a tecnologia de epitaxia atual, são necessárias cerca de 1.000 vezes uma pastilha de 1 milímetro de espessura para obter um material semicondutor com espessura de cerca de 1 micrômetro. Isso porque é muito difícil - tanto em termos de tecnologia quanto de custos - remover apenas os materiais semicondutores que serão realmente usados.

É aí que entra a epitaxia remota, que se baseia no princípio de que as características elétricas da superfície da pastilha penetram no filme de grafeno e, como o material semicondutor não está diretamente ligado à pastilha, pode ser possível separar apenas o material semicondutor.

Nesta primeira demonstração, a equipe centrou seus esforços nos semicondutores de nitreto de gálio (GaN), que são amplamente utilizados em telas de LED e em carregadores de veículos elétricos, por uma questão muito simples: Eles são muito caros. Para produzir esses componentes em sua eficiência máxima, é melhor usar pastilhas também de nitreto de gálio, só que elas são cerca de 100 vezes mais caras do que as pastilhas de safira - por uma questão de custos, hoje se utiliza pastilhas de safira, sacrificando a qualidade dos componentes.

A técnica permitirá baratear e melhorar alguns dos componentes semicondutores de maior desempenho.
[Imagem: Hoe-Min Kwak et al. - 10.1021/acsnano.3c02565]

Copiar e colar no mundo real

O primeiro desafio para viabilizar a epitaxia remota foi lidar com as condições de crescimento de alta temperatura usadas pela indústria microeletrônica. A técnica mais comum, chamada "deposição de vapor químico orgânico de metal", era considerada incompatível com a epitaxia remota porque as altas temperaturas destroem não apenas o filme de grafeno, mas também a própria pastilha de nitreto de gálio.

A equipe coreana resolveu isto introduzindo uma camada de nitreto de alumínio (AlN) com características semelhantes às do nitreto de gálio. Foi o suficiente para que toda a estrutura sobrevivesse ao método padrão da indústria.

Isto viabiliza a produção de semicondutores de nitreto de gálio altamente cristalinos e caros, em plantas industriais existentes, por meio da tão esperada epitaxia remota, o copiar e colar dos componentes semicondutores. E tudo a um preço muito baixo e gerando componentes de qualidade superior aos atuais.

Além disso, como apenas semicondutores desenvolvidos na forma de um filme fino podem ser removidos e usados, vários semicondutores com várias funções podem ser empilhados no mesmo espaço.

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