Transistor MoS2 con puerta de nanotubos de carbono de 1 nanómetro. Crédito:Sujay Desaj
Durante más de una década, Los ingenieros han estado mirando la línea de meta en la carrera para reducir el tamaño de los componentes en los circuitos integrados. Sabían que las leyes de la física habían establecido 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 puerta de 20 nanómetros de gama alta que se encuentran actualmente en el mercado.
Algunas leyes están hechas para romperse o al menos desafiado.
Un equipo de investigación dirigido por el científico de la facultad Ali Javey en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) ha hecho precisamente eso al crear un transistor con una puerta de 1 nanómetro que funciona. Para comparacion, una hebra de cabello humano mide aproximadamente 50, 000 nanómetros de espesor.
"Fabricamos el transistor más pequeño registrado hasta la fecha, "dijo Javey, investigador principal principal del programa de Materiales Electrónicos en la División de Ciencia de Materiales de Berkeley Lab. "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 encoger nuestra electrónica ".
La clave fue utilizar nanotubos de carbono y disulfuro de molibdeno (MoS 2 ), un lubricante de motor que se vende comúnmente en las tiendas de autopartes. MoS 2 forma parte de una familia de materiales con un 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. Ciencias . Otros investigadores de este artículo incluyen a Jeff Bokor, un científico senior de la facultad en Berkeley Lab y un profesor en UC Berkeley; Chenming Hu, profesor de UC Berkeley; Moon Kim, profesor de la Universidad de Texas en Dallas; y H.S. Philip Wong, profesor de la Universidad de Stanford.
Un esquema de un transistor con un canal de disulfuro de molibdeno y una puerta de nanotubos de carbono de 1 nanómetro. Crédito:Sujay Desai / Berkeley Lab
El desarrollo podría ser clave para mantener viva la predicción del cofundador de Intel, Gordon Moore, de que la densidad de transistores en circuitos integrados se duplicaría cada dos años. permitiendo el mayor rendimiento de nuestras computadoras portátiles, teléfonos móviles, televisores, y otros aparatos electrónicos.
"La industria de los semiconductores ha asumido durante mucho tiempo que cualquier puerta por debajo de los 5 nanómetros no funcionaría, así que cualquier cosa de abajo que ni siquiera fue considerada, "dijo el autor principal del estudio, Sujay Desai, estudiante de posgrado en el laboratorio de Javey. "Esta investigación muestra que las puertas de menos de 5 nanómetros no deben descartarse. La industria ha estado exprimiendo hasta el último bit de capacidad del silicio. Al cambiar el material de silicio a MoS2, podemos hacer un transistor con una puerta de solo 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 desagüe, y ese flujo es controlado por la puerta, que se enciende y apaga en respuesta a la tensión aplicada.
Tanto el silicio como el MoS2 tienen una estructura de celosía cristalina, pero los electrones que fluyen a través del silicio son más ligeros y encuentran menos resistencia en comparación con MoS2. Eso es una bendición cuando la puerta es de 5 nanómetros o más. Pero por debajo de esa longitud, un fenómeno de la mecánica cuántica llamado túnel entra en acción, y la barrera de la puerta ya no puede evitar que los electrones se traspasen desde la fuente hasta los terminales de drenaje.
Imagen de microscopio electrónico de transmisión de una sección transversal del transistor. Muestra la puerta de nanotubos de carbono de ~ 1 nanómetro y el semiconductor de disulfuro de molibdeno separados por dióxido de circonio, que es un aislante. Crédito:Qingxiao Wang, UT Dallas
"Esto significa que no podemos apagar los transistores, "dijo Desai." Los electrones están fuera de control ".
Porque los electrones que fluyen a través de MoS 2 son más pesados, su flujo se puede controlar con longitudes de compuerta más pequeñas. MoS 2 también se puede reducir a hojas atómicamente delgadas, aproximadamente 0,65 nanómetros de espesor, con una constante dieléctrica más baja, 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 MoS 2 como material semiconductor, era hora de construir la puerta. Haciendo una estructura de 1 nanómetro, resulta, no es poca cosa. Las técnicas de litografía convencionales no funcionan bien a esa escala, por lo que los investigadores recurrieron a nanotubos de carbono, Tubos cilíndricos huecos con diámetros tan pequeños como 1 nanómetro.
Luego midieron las propiedades eléctricas de los dispositivos para mostrar que el transistor MoS2 con la puerta de nanotubos de carbono controlaba efectivamente el flujo de electrones.
"Este trabajo demostró el transistor más corto de todos los tiempos, "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 un poco más mediante la ingeniería adecuada del material semiconductor y la arquitectura del dispositivo ".
