Molibdeno e tellurio, meglio del silicio per nuovi transistor bidimensionali

Un gruppo di ricercatori dalla Corea e dal Giappone ha sviluppato un nuovo materiale semiconduttore che potrebbe essere un candidato interessante per sostituire il silicio nelle future applicazioni elettroniche. Nell'edizione del 7 agosto di Science i ricercatori hanno descritto la realizzazione di un transistor in cui il canale consiste di strati di tellururo di molibdeno (MoTe₂) bidimensionale.

Le attività di ricerca attorno al mondo che cercano un sostituto del silicio sono molto vivaci perché, nonostante le sue grandi proprietà, esso ha due inconvenienti: le sue proprietà elettroniche degradano quando il silicio è reso molto sottile e la sua banda proibita indiretta lo rende difficile da usare nell'optoelettronica. Una classe di materiali piuttosto promettenti che i ricercatori stanno esaminando sono i metalli dicalcogenuri di transizione, che includono il solfuro di molibdeno e il seleniuro di tungsteno. Con questi materiali, però, il problema è nel riuscire a creare buone connessioni elettriche.

Il tellururo di molibdeno, sintetizzato per la prima volta nel 1960, è stato poco studiato a questi scopi perché non può essere ottenuto in una forma pura che possa essere usata in elettronica. Lo scorso anno però il gruppo di ricercatori coordinato da Yang ha ottenuto una forma molto pura di MoTe₂ facendo una scoperta sorprendente. "Stavo studiando MoTe₂ e stavamo usando una tecnica chiamata spettroscopia Raman. Ogni volta che si effettuava una misurazione ottenevamo un risultato differente. Non riuscivo a capire perché. Trattandosi di un solido avrebbe dovuto produrre lo stesso spettro Raman per ciascuna misurazione" ha spiegato Heeyun Yang, fisico presso la Sungkyunkwan University in Corea.

Gli scienziati hanno però velocemente realizzato di essere incappati in qualcosa di nuovo. Negli esperimenti di spettroscopia Yang ha controllato la potenza e la lunghezza d'onda del laser: "Quello che ho scoperto è che il laser aumenta localmente la temperatura fino a 400°C e dato che gli atomi di tellurio possono essere sublimati facilmente, si ottiene un assottigliamento del campione di MoTe₂. Ho realizzato che i risultati differenti erano causati dalla variazione di spessore del campione e dalla presenza di differenti fasi strutturali"

L'osservazione ha quindi offerto un modo di ridurre il numero di strati nel materiale. I ricercatori hanno scoperto che l'irradiazione del laser, oltre ad assottigliare il campione, induce due fasi strutturali nel materiale, una fase chiamata 2H è semiconduttiva e l'altra fase, 1T, è metallica. I ricercatori hanno altresì scoperto che alcune parti 2H dello strato superiore del campione di MoTe₂ possono essere cambiati da una pulszione laser in uno strato 1T.

Il transistor prototipo ha un canale semiconduttivo MoTe₂ lungo circa 2 micrometri. Ad entrambe le estremità del canale lo strato semiconduttivo è stato convertito in 1T. "Una volta che il nostro materiale muta in stato metallico possiamo depositare giunzioni in oro o alluminio, che sono ottimali per dispositivi ad alta velocità" ha osservato Yang. In questo modo le giunzioni elettriche di source e drain non sono esterne al materiale del canale ma sono in effetti parte di esso e ciò rappresenta una novità nel campo della progettazione di transistor bidimensionali. "E' la prima realizzazione di una giunzione metallo-semiconduttore nello stesso materiale bidimensionale" sottolina Yang che spiega come l'omogiunzione tra le due fasi è molto efficiente e permette alla carica di muoversi da 10 a 50 volte più veloce rispetto a quanto possibile nel silicio.

Un altro vantaggio è che il materiale semiconduttore MoTe₂ ha una banda proibita di 1eV, molto simile a quella del silicio di 1,1eV. Questa affinità potrebbe essere estremamente utile nel facilitare il passaggio dai transistor in silicio ai transistor in MoTe₂ nella progettazione di circuiti logici.

Un transistor prototipo con un canale a singolo strato è il prossimo passo. Ma MoTe₂ non sembra essere facilmente riducibile in monostrati. A differenza del grafene, che può essere realizzato facilmente esfoliando la grafite, qui è necessario trovare un'altra strada, "L'interazione strato-strato è debole per il grafene. Sfortunatamente l'interazione strato-strato nel MoTe₂ è molto forte. Abbiamo cercato di esfoliarlo ma non riusciamo ad ottenere monostrati" ha osservato Yang. In ogni caso tra i semiconduttori bidimensionali il MoTe₂ sembra essere piuttosto valido da incoraggiare ulteriori sperimentazioni. "La bassa banda proibita rispetto a quella di altri semiconduttori bidimensionali è un elemento molto promettente" ha concluso Yang.