Avance de Stanford: Transistores atómicamente delgados de 100 nm impulsan la electrónica flexible

Los circuitos informáticos ultrafinos y flexibles han sido un objetivo de ingeniería durante años, pero obstáculos técnicos han impedido el grado de miniaturización necesario para lograr alto rendimiento. Ahora, investigadores de la Universidad de Stanford han inventado una técnica de fabricación que produce transistores flexibles, atómicamente delgados, de menos de 100 nanómetros de longitud —varias veces más pequeños que lo posible anteriormente.

Con el avance, dijeron los investigadores, la llamada «flextrónica» se acerca a la realidad. La electrónica flexible promete circuitos informáticos doblables, moldeables, pero energéticamente eficientes que pueden usarse en, o implantarse en, el cuerpo humano para realizar innumerables tareas relacionadas con la salud. Además, el venidero «internet de las cosas», en el que casi todos los dispositivos en nuestras vidas están integrados e interconectados, debería beneficiarse similarly de la flextrónica.

Entre materiales adecuados para electrónica flexible, los semiconductores bidimensionales (2D) han mostrado promesa debido a sus excelentes propiedades mecánicas y eléctricas, incluso a nanoescala, lo que los hace mejores candidatos que el silicio convencional u materiales orgánicos.

El desafío de ingeniería hasta la fecha ha sido que formar estos dispositivos imposiblemente delgados requiere un proceso que es demasiado intensivo en calor para sustratos plásticos flexibles. Estos materiales simplemente se derretirían y descompondrían en el proceso de producción.

La solución, según los investigadores, es hacerlo en pasos, comenzando con un sustrato base que es todo menos flexible. Formaron una película atómicamente delgada del semiconductor 2D disulfuro de molibdeno (MoS2) superpuesta con pequeños electrodos de oro nano-patroneados sobre una losa sólida de silicio recubierta de vidrio. Debido a que este paso se realiza en el sustrato de silicio convencional, las dimensiones de transistores a nanoescala pueden patronearse con técnicas de patroneo avanzadas existentes, logrando una resolución imposible en sustratos plásticos flexibles.

Esta técnica de capas, conocida como deposición química de vapor (CVD), crece una película de MoS2 una capa de átomos a la vez. La película resultante tiene solo tres átomos de espesor pero requiere temperaturas de 850 °C (más de 1500 °F) para funcionar. En comparación, el sustrato flexible —hecho de poliamida, un plástico delgado— habría perdido su forma alrededor de 360 °C (680 °F), y se descompondría completamente a temperaturas más altas.

Al patronear y formar primero estas partes críticas en silicio rígido y permitir que se enfríen, los investigadores de Stanford pueden aplicar el material flexible sin daño. Con un simple baño en agua desionizada, toda la pila de dispositivos se desprende, ahora transferida completamente al poliamida flexible.

Después de unos pocos pasos de fabricación adicionales, los resultados son transistores flexibles capaces de varias veces mejor rendimiento que cualquier producido antes con semiconductores atómicamente delgados. Los investigadores dijeron que aunque circuitos enteros podrían construirse y luego transferirse al material flexible, ciertas complicaciones con capas subsiguientes hacen que estos pasos adicionales sean más fáciles después de la transferencia.

«Al final, toda la estructura tiene solo 5 micrones de espesor, incluyendo el poliamida flexible», dijo el Profesor Eric Pop. «Eso es unas diez veces más delgado que un cabello humano.»

Si bien el logro técnico en producir transistores a nanoescala en un material flexible es notable por sí mismo, los investigadores también describieron sus dispositivos como «alto rendimiento», lo que en este contexto significa que pueden manejar altas corrientes eléctricas mientras operan a bajo voltaje, como se requiere para bajo consumo de energía.

«Esta reducción de escala tiene varios beneficios», dijo el Dr. Daus. «Puedes poner más transistores en una huella dada, por supuesto, pero también puedes tener corrientes más altas a voltaje más bajo —alta velocidad con menos consumo de energía.»

Mientras tanto, los contactos metálicos de oro disipan y esparcen el calor generado por los transistores mientras están en uso —calor que de otro modo podría poner en peligro el poliamida flexible.

Con un prototipo y solicitud de patente completos, Daus y Pop han pasado a sus próximos desafíos de refinar los dispositivos. Han construido transistores similares usando otros dos semiconductores atómicamente delgados (MoSe2 y WSe2) para demostrar la amplia aplicabilidad de la técnica.

Mientras tanto, Daus dijo que está buscando integrar circuitos de radio con los dispositivos, lo que permitirá a futuras variaciones comunicarse inalámbricamente con el mundo exterior —otro gran salto hacia la viabilidad de la flextrónica, particularmente las implantadas en el cuerpo humano o integradas profundamente dentro de otros dispositivos conectados al internet de las cosas.

«Esto es más que una técnica de producción prometedora. Hemos logrado flexibilidad, densidad, alto rendimiento y bajo consumo —todo al mismo tiempo», dijo Pop. «Este trabajo esperamos que mueva la tecnología hacia adelante en varios niveles.»