Los investigadores utilizan materiales novedosos para construir el transistor más pequeño con una puerta de nanotubos de carbono de 1 nanómetro

Durante más de una década, los ingenieros han estado mirando a la meta en la carrera por reducir el tamaño de los componentes de los circuitos integrados. Sabían que las leyes de la física habían fijado un umbral de 5 nanómetros en el tamaño de las puertas de los transistores entre los semiconductores convencionales, aproximadamente una cuarta parte del tamaño de los transistores de alta gama de 20 nanómetros que se encuentran actualmente en el mercado.

 

Algunas leyes están hechas para ser infringidas, o al menos desafiadas.

Un equipo de investigación dirigido por el científico Ali Javey del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía ha hecho precisamente eso creando un transistor con una puerta funcional de 1 nanómetro. En comparación, un mechón de cabello humano tiene un grosor de unos 50.000 nanómetros.

"Hicimos el transistor más pequeño conocido hasta la fecha", dijo Javey, investigador principal del programa de Materiales Electrónicos en la División de Ciencia de Materiales del Laboratorio Berkeley. “La longitud de la puerta se considera una dimensión definitoria del transistor. Demostramos un transistor de puerta de 1 nanómetro, demostrando que con la elección de los materiales adecuados, hay mucho más espacio para reducir nuestra electrónica”.

La clave fue utilizar nanotubos de carbono y disulfuro de molibdeno (MoS₂), un lubricante de motor que se vende comúnmente en tiendas de repuestos para automóviles. MoS₂ es parte de una familia de materiales con inmenso potencial para aplicaciones en LED, láseres, transistores a nanoescala, células solares y más.

Los hallazgos aparecerán en la edición del 7 de octubre de la revista. Ciencia. Otros investigadores en este artículo incluyen a Jeff Bokor, científico senior de la facultad del Berkeley Lab y profesor de la UC Berkeley; Chenming Hu, profesor de UC Berkeley; Moon Kim, profesora de la Universidad de Texas en Dallas; y HS Philip Wong, profesor de la Universidad de Stanford.

El desarrollo podría ser clave para mantener viva la predicción del cofundador de Intel, Gordon Moore, de que la densidad de los transistores en circuitos integrados se duplicaría cada dos años, lo que permitiría un mayor rendimiento de nuestras computadoras portátiles, teléfonos móviles, televisores y otros dispositivos electrónicos.

"La industria de los semiconductores ha asumido durante mucho tiempo que cualquier puerta por debajo de 5 nanómetros no funcionaría, por lo que cualquier puerta por debajo de eso ni siquiera se consideró", dijo el autor principal del estudio, Sujay Desai, estudiante de posgrado en el laboratorio de Javey. “Esta investigación muestra que los sub-5 nanómetros puertas no debe descartarse. La industria ha estado exprimiendo hasta la última gota de capacidad del silicio. Al cambiar el material de silicio a MoS2, podemos hacer un transistor con una puerta de sólo 1 nanómetro de longitud y operarlo como un interruptor”.

Cuando 'los electrones están fuera de control'

Los transistores constan de tres terminales: una fuente, un drenaje y una puerta. La corriente fluye desde la fuente hasta el drenaje, y ese flujo es controlado por la compuerta, que se enciende y apaga en respuesta al voltaje aplicado.

Tanto el silicio como el MoS2 tienen una estructura reticular cristalina, pero los electrones que fluyen a través del silicio son más ligeros y encuentran menos resistencia en comparación con el MoS2. Esto es una gran ayuda cuando la puerta mide 5 nanómetros o más. Pero por debajo de esa longitud, se activa un fenómeno de la mecánica cuántica llamado túnel, y la barrera de la compuerta ya no puede evitar que los electrones irrumpan desde la fuente hasta los terminales de drenaje.

"Esto significa que no podemos apagar los transistores", dijo Desai. "Los electrones están fuera de control".

Porque los electrones que fluyen a través de MoS₂ son más pesados, su flujo se puede controlar con longitudes de compuerta más pequeñas. MoS₂ También se puede reducir a láminas atómicamente delgadas, de aproximadamente 0,65 nanómetros de espesor, con una constante dieléctrica más baja, una medida que refleja la capacidad de un material para almacenar energía en un campo eléctrico. Ambas propiedades, además de la masa del electrón, ayudan a mejorar el control del flujo de corriente dentro del transistor cuando la longitud de la puerta se reduce a 1 nanómetro.

Una vez que se decidieron por MoS₂ Como material semiconductor, llegó el momento de construir la puerta. Resulta que crear una estructura de 1 nanómetro no es tarea fácil. Las técnicas de litografía convencionales no funcionan bien a esa escala, por lo que los investigadores recurrieron a los nanotubos de carbono, tubos cilíndricos huecos con diámetros tan pequeños como 1 nanómetro.

Luego midieron las propiedades eléctricas de los dispositivos para demostrar que el transistor MoS2 con la puerta de nanotubos de carbono controlaba eficazmente el flujo de electrones.

"Este trabajo demostró el transistor más corto jamás creado", dijo Javey, quien también es profesor de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación en UC Berkeley. “Sin embargo, es una prueba de concepto. Todavía no hemos empaquetado estos transistores en un chip, y no lo hemos hecho miles de millones de veces. Tampoco hemos desarrollado esquemas de fabricación autoalineados para reducir las resistencias parásitas en el dispositivo. Pero este trabajo es importante para demostrar que ya no estamos limitados a una puerta de 5 nanómetros para nuestros transistores. La Ley de Moore puede continuar por un tiempo más mediante la ingeniería adecuada del material semiconductor y la arquitectura del dispositivo”.