Nueva Técnica Permite Transistores 2D para Microchips Ultra-Compactos

Los materiales atómicamente finos son una alternativa prometedora a transistores basados en silicio; ahora los investigadores pueden conectarlos más eficientemente a otros elementos del chip.

La Ley de Moore, la famosa predicción de que el número de transistores empaquetables en un microchip se duplica cada par de años, ha chocado contra límites físicos básicos. Estos límites podrían detener décadas de progreso —a menos que se encuentren nuevos enfoques.

Una nueva dirección explorada es el uso de materiales atómicamente finos en lugar de silicio como base para nuevos transistores, pero conectar esos materiales "2D" a otros componentes electrónicos convencionales ha resultado difícil.

Ahora investigadores del MIT, Universidad de California en Berkeley, Taiwan Semiconductor Manufacturing Company y otros, han encontrado una nueva forma de hacer esas conexiones eléctricas, lo que podría liberar el potencial de materiales 2D y avanzar la miniaturización de componentes —posiblemente suficiente para extender la Ley de Moore, al menos en el futuro próximo, dicen los investigadores.

"Resolvimos uno de los mayores problemas en miniaturizar dispositivos semiconductores, la resistencia de contacto entre un electrodo metálico y un material semiconductor de monocapa", dijo el Dr. Cong Su, ahora en UC Berkeley. La solución resultó ser simple: el uso de un semimetal, el elemento bismuto, en lugar de metales ordinarios para conectar con el material de monocapa.

Tales materiales de monocapa ultradelgados, en este caso disulfuro de molibdeno, son vistos como principales contendientes para sortear los límites de miniaturización que encuentra la tecnología de transistores basados en silicio. Pero según Su, crear una interfaz eficiente y altamente conductiva entre tales materiales y conductores metálicos para conectarlos entre sí y a otros dispositivos y fuentes de energía, era un desafío que frenaba el progreso hacia tales soluciones.

La interfaz entre metales y materiales semiconductores (incluyendo estos semiconductores de monocapa) produce un fenómeno llamado estados de hueco inducidos por metal, que lleva a la formación de una barrera de Schottky, fenómeno que inhibe el flujo de portadores de carga. El uso de un semimetal, cuyas propiedades electrónicas están entre metales y semiconductores, combinado con alineación energética adecuada entre los dos materiales, resultó eliminar el problema.

El Dr. Yuxuan Lin explicó que el ritmo rápido de miniaturización de transistores que componen procesadores y chips de memoria se estancó antes, alrededor de 2000, hasta que un nuevo desarrollo permitiendo arquitectura tridimensional de dispositivos semiconductores en chip rompió el estancamiento en 2007 y el progreso rápido se reanudó. Pero ahora, dice, "pensamos que estamos al borde de otro cuello de botella".

Los llamados materiales bidimensionales, láminas finas de solo uno o pocos átomos de espesor, cumplen todos los requisitos para permitir un salto adicional en miniaturización de transistores, reduciendo potencialmente varias veces un parámetro clave llamado longitud de canal —de unos 5-10 nanómetros en chips de vanguardia actuales, a escala sub-nanométrica. Una variedad de tales materiales se explora ampliamente, incluyendo una familia de compuestos conocidos como dicalcogenuros de metales de transición. El disulfuro de molibdeno usado en los nuevos experimentos pertenece a esta familia. El problema de lograr contacto metálico de baja resistencia con tales materiales también ha obstaculizado investigación básica sobre la física de estos nuevos materiales de monocapa. Como los métodos de conexión existentes tienen tanta resistencia, las diminutas señales necesarias para monitorizar el comportamiento de electrones en el material son demasiado débiles para pasar.

Descubrir cómo escalar e integrar tales sistemas a nivel comercial podría llevar tiempo e ingeniería adicional. Pero para aplicaciones de física, los investigadores dicen que el impacto de los nuevos hallazgos podría sentirse rápidamente.

Mientras tanto, los investigadores continúan explorando, reduciendo aún más el tamaño de sus dispositivos y buscando otros emparejamientos de materiales que permitan mejor contacto eléctrico con el otro tipo de portadores de carga —huecos. Resolvieron el problema para el transistor tipo N, pero si encuentran combinación de canal y material de contacto eléctrico para permitir un transistor tipo P de monocapa eficiente, eso abriría muchas nuevas posibilidades para chips de próxima generación, dicen.