2D or not 2D? This is the question

di Gianluca Fiori

L'industria dei semiconduttori è sempre alla continua ricerca di soluzioni tecnologiche che permettano di ottenere dispositivi ad alte prestazioni e bassi consumi, spinta anche dal crescente sviluppo del mercato dell'elettronica portatile, a cui abbiamo assistito negli ultimi anni.
L'utilizzo di materiali bidimensionali (2D), ovvero materiali sottili come un singolo atomo, rappresenta una soluzione interessante e alternativa per la fabbricazione di dispositivi con geometrie ultra-scalate.

Quando parliamo di materiali 2D non possiamo non far riferimento al grafene, isolato per la prima volta nel 2004, da due scienziati dell'Universita' di Manchester, Geim e Novoselov, scoperta che ha portato al premio Nobel nel 2010

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Come mostrato in figura, il grafene è uno strato monoatomico di atomi di carbonio, spesso qualche Angstrom. Sin dalla sua scoperta, questo nuovo materiale ha attrattol'attenzione di molti gruppi di ricerca accademici nel campo della nanoelettronica, proprio per le interessanti proprietà fisiche che lo caratterizzano.
Ad esempio, gli elettroni riescono a viaggiare con velocità prossime a quelle della luce, comportandosi come particelle relativistiche con massa pressoché nulla. Dal punto di vista ingegneristico, il grafene mostra effetti legati al trasporto di carica elettrica e proprietà fisiche peculiari, che fanno intravedere possibili applicazioni nei dispositivi elettronici di prossima generazione.
Fino ad oggi, la tecnologia in silicio ha dimostrato la propria superiorità rispetto a tutte le soluzioni che si sono presentate sulla scena mondiale. D’altra parte, questa tecnologia presenta dei limiti intrinseci legati principalmente alle enormi densità di potenza in gioco negli attuali sistemi elettronici.
Il grafene, d'altra parte, si comporta come un conduttore dalle eccezionali proprietà sia elettriche, che termiche. Inoltre, l’alta mobilità delle cariche, accompagnata da opportune soluzioni architetturali, potrebbe permettere la realizzazione di transistori a bassissimo consumo.
Il rischio però, come spesso accade in questi casi, è di farsi prendere troppo dall'entusiasmo e di intravedere applicazioni purtroppo irrealizzabili. Uno dei problemi più grandi del grafene è quello di non possedere un "bandgap". Ne deriva che un transistor con canale in grafene non possa essere mai spento, come dimostrato già dai primi esperimenti su dispositivi FET in grafene.

Quindi certi annunci che vedono il grafene come il sostituto ideale del silicio sono, a mio avviso, troppo ottimistici e non realistici. Anzi, senza tema di smentita, possiamo affermare che di sicuro il puro grafene sia da escludere per applicazioni di elettronica digitale per i motivi sopra esposti.

Probabilmente, al di là delle applicazioni elettroniche in senso stretto, il grafene ha più potenzialità in altri ambiti come per esempio quello optoelettonico, utilizzato come elettrodo trasparente in celle solari, oppure in schermi touch-screen e display flessibili nella telefonia cellulare.

Recentemente, nuovi materiali bidimensionali sono entrati nel panorama della nanoelettronica, risolvendo in parte i problemi intrinseci del grafene. Mi riferisco per esempio ai calcogenuri dei metalli di transizione (TMD) come il singolo strato di MoS2, che hanno come principale vantaggio rispetto al grafene quello di possedere un "bandgap".

Come dimostrato dal gruppo del Prof. Kis dell'EPFL, transistori con canale di MoS2possono essere effettivamente spenti e il loro spessore estremamente sottile favorisce un controllo praticamente perfetto del gate sul potenziale di canale. L'aspetto negativo è invece rappresentato dalla ridotta mobilità del canale. Ad oggi, infatti, la massima mobilità ottenuta a temperatura ambiente è di circa 30 cm2/Vs, mentre quella teorica si aggira sui 400 cm2/Vs.
Materiali così sottili possono rappresentare una tecnologia abilitante per dispositivi "ultra-thin" come recentemente dimostrato dai ricercatori della SKKU e dall’Università di Notre-Dame. La ricercaha prodotto una giunzione p-n composta da due strati di MoS2 deposti uno sopra l'altro, con caratteristiche elettriche interessanti e con possibili applicazioni nel campo dell'elettronica flessibile.

Per ovviare al problema della bassa mobilità nei TMD, è stato recentemente proposto e fabbricato un transistore realizzato con canale in fosforene(un singolo strato di Fosforo, detto anche "Black-Phosphorus"). Il fosforene possiede in effetti un "bandgap" simile a quello del silicio, e ha una mobilità di circa 1000 cm2/Vs. Probabilmente, ad oggi, tra i materiali bidimensionali, il fosforene è quello che a mio avviso possiede le maggiori potenzialità per applicazioni digitali.
Discorso a parte merita invece il silicene, ovvero un singolo strato di atomi di silicio, depositato per la prima volta su substrato isolante 2 mesi fa da un gruppo americano dell’Università del Texas e da un gruppo italiano del CNR. Il problema del silicene è però lo stesso del grafene: la mancanza di un "bandgap". Quindi, a meno che non vengano scoperte particolari proprietà fisiche che diano adito allo sfruttamento in dispositivi "beyond CMOS", anche in questo caso l'utilizzo del silicene come canale in dispositivi "convenzionali" non porterà di sicuro a risultati promettenti per applicazioni elettroniche.
Forse il segreto per il successo sta effettivamente in ciò che ha affermato una volta Herbert Kroemer, ovvero che "le applicazioni principali di una tecnologia nuova e innovativa, sono sempre state - e continueranno ad esserlo - quelle applicazioni create da quella specifica tecnologia".