Svelato il “Semiconduttore d’Oro”: La Cina rivoluziona i chip, superando il Silicio

Scienziati cinesi hanno recentemente svelato un metodo rivoluzionario per la produzione di massa di indio seleniuro (InSe) di altissima qualità, un materiale soprannominato il “semiconduttore d’oro” per le sue straordinarie proprietà elettroniche. Questa innovazione, pubblicata su Science, promette di aprire la strada a una nuova generazione di chip, superando in prestazioni la tecnologia basata sul silicio che ha dominato l’industria per decenni. La notzia è stata riportata dall’agenzia di stampa cinese Xinhua, dopo la pubblicazione scientifica

L’urgenza di una nuova era e i limiti del Silicio

Il silicio è stato il pilastro dell’era digitale, la spina dorsale di ogni dispositivo elettronico, dai nostri smartphone ai supercomputer. Ma come ogni tecnologia, anche il silicio ha i suoi confini. La miniaturizzazione spinta all’estremo e la crescente domanda di prestazioni sempre più elevate hanno spinto i limiti fisici di questo materiale, rendendo sempre più arduo ottenere miglioramenti significativi in termini di velocità e efficienza energetica.

È in questo scenario di sfida globale che la ricerca di nuovi materiali semiconduttori ad alte prestazioni e a basso consumo energetico è diventata una priorità assoluta. L’indio seleniuro si è da tempo distinto come un candidato promettente, con una mobilità elettronica eccezionale e una bassa massa effettiva, proprietà che lo rendono intrinsecamente superiore al silicio. Tuttavia, il suo potenziale è rimasto per anni confinato nei laboratori, a causa di una sfida apparentemente insormontabile: la sua produzione su larga scala e in alta qualità.

Seleniuro di indio allo stato grezzo

I problemi nell’implementare la nuova tecnologia

Il cuore del problema risiedeva nella stechiometria, ovvero il mantenimento di un preciso rapporto atomico di 1:1 tra indio e selenio durante il processo di crescita dei cristalli e del wafer. Senza questa esatta proporzione, i film di InSe risultavano “non stechiometrici”, compromettendo gravemente le loro proprietà elettroniche e rendendoli inferiori alle aspettative. Per anni, i tentativi di ottenere wafers di InSe con la stessa qualità delle scaglie esfoliate in laboratorio sono stati vani, trasformando un materiale di potenziale rivoluzionario in una promessa non mantenuta.

“La sfida principale risiedeva nel preciso mantenimento dell’ideale rapporto atomico 1:1 di indio e selenio durante la produzione,” ha dichiarato Liu Kaihui, professore presso la School of Physics dell’Università di Pechino, sottolineando la complessità di questa barriera tecnologica.

La scoperta cinese: una soluzione semplice, un grande impatto

Ma ora, un team di ricercatori guidato dalle università di Pechino e Renmin University of China ha sviluppato una strategia innovativa che ha infranto questo muro. La loro metodologia, definita “solido-liquido-solido”, è elegantemente semplice quanto profondamente efficace. Immaginate un processo in cui un film amorfo di InSe viene riscaldato sotto condizioni sigillate con indio solido. Gli atomi di indio vaporizzano e formano un’interfaccia liquida ricca di indio ai margini del film. Questa “guarnizione” liquida di indio agisce come un catalizzatore, guidando la trasformazione del film amorfo in cristalli di InSe altamente organizzati e di altissima qualità, mantenendo rigorosamente il rapporto stechiometrico ideale.

“Questo metodo assicura il corretto rapporto atomico di indio e selenio e ha superato il collo di bottiglia critico nella transizione dell’indio seleniuro dalla ricerca di laboratorio alle applicazioni ingegneristiche,” ha spiegato il Professor Liu Kaihui. La ricerca che ha potuto portare a questi risultati è stata pubblicata sulla rivista Science.

Illustrazione sulla produzione di un wafer con stechiometria corretta attraverso il sistema solido liquido solido (da Science)

Prestazioni oltre le aspettative

I risultati sono stati a dir poco sbalorditivi. Il team è riuscito a produrre wafers di indio seleniuro di circa 5 centimetri di diametro, caratterizzati da eccezionale uniformità, fase pura e alta cristallinità. Le matrici di transistor basate su questi wafers hanno dimostrato prestazioni elettroniche senza precedenti, superando quelle di tutti gli altri dispositivi 2D basati su film.

Parliamo di una mobilità elettronica estremamente elevata, con una media di ben 287 centimetri quadrati per volt-secondo, e un subthreshold swing (un indicatore chiave dell’efficienza energetica di un transistor) prossimo al limite di Boltzmann, con un valore medio di soli 67 millivolt per decade, il tutto a temperatura ambiente.

Questi numeri non sono solo dati tecnici; rappresentano un salto quantico nelle capacità dei semiconduttori. Qiu Chengguang, ricercatore presso la School of Electronics dell’Università di Pechino, ha confermato che questi transistor possono essere utilizzati direttamente nei dispositivi a chip integrati, aprendo scenari fino a ieri inimmaginabili.

Le Implicazioni di questo  “Semiconduttore d’Oro”

Il riconoscimento non è tardato ad arrivare: i revisori di Science hanno definito questo lavoro “un avanzamento nella crescita dei cristalli“, sottolineando l’importanza scientifica e tecnologica della scoperta.

Questa svolta epocale non è solo un trionfo accademico; ha implicazioni concrete e immediate per l’industria tecnologica globale. La possibilità di produrre indio seleniuro di alta qualità su larga scala significa che potremmo presto vedere una nuova generazione di chip caratterizzati da:

• Maggiore velocità: I dispositivi basati su InSe potranno elaborare dati molto più velocemente.
• Minore consumo energetico: Essenziali per prolungare la durata della batteria nei dispositivi mobili e ridurre il consumo energetico nei data center.
• Applicazioni rivoluzionarie: Dalle prestazioni potenziate nell’intelligenza artificiale all’automazione avanzata, dalla guida autonoma ai terminali intelligenti di prossima generazione.

Il Professor Liu Kaihui ha concluso con una visione chiara e potente: “Questa svolta apre una nuova strada per lo sviluppo di chip di prossima generazione, ad alte prestazioni e a bassa potenza, che si prevede saranno ampiamente applicati in campi all’avanguardia come l’intelligenza artificiale, la guida autonoma e i terminali intelligenti in futuro.”