La próxima generación de componentes electrónicos de alta eficiencia energética y llenos de funciones requerirá chips de computadora de solo unos pocos átomos de espesor. Por todos sus atributos positivos, el confiable silicio no puede llevarnos a estos extremos ultrafinos.

Ahora, Los ingenieros eléctricos de Stanford han identificado dos semiconductores, diselenuro de hafnio y diselenuro de circonio, que comparten o incluso superan algunos de los rasgos deseables del silicio. comenzando por el hecho de que los tres materiales pueden "oxidarse".

"Es un poco como el óxido, pero un óxido muy deseable, "dijo Eric Pop, un profesor asociado de ingeniería eléctrica, quien fue coautor con el académico postdoctoral Michal Mleczko de un artículo que aparece en la revista Avances de la ciencia .

Los nuevos materiales también pueden reducirse a circuitos funcionales de solo tres átomos de espesor y requieren menos energía que los circuitos de silicio. Aunque todavía es experimental, los investigadores dijeron que los materiales podrían ser un paso hacia los tipos de más delgados, chips más eficientes energéticamente que demandarán los dispositivos del futuro.

Puntos fuertes del silicio

El silicio tiene varias cualidades que lo han llevado a convertirse en la piedra angular de la electrónica, Pop explicó. Uno es que está bendecido con un muy buen aislante "nativo", dióxido de silicio o, en inglés simple, óxido de silicio. Exponer el silicio al oxígeno durante la fabricación ofrece a los fabricantes de chips una forma fácil de aislar sus circuitos. Otros semiconductores no se "oxidan" y se convierten en buenos aislantes cuando se exponen al oxígeno, por lo que deben colocarse en capas con aisladores adicionales, un paso que presenta desafíos de ingeniería. Ambas diselenidas que probó el grupo de Stanford formaron este escurridizo, pero una capa de óxido aislante de alta calidad cuando se expone al oxígeno.

No solo se oxidan ambos semiconductores ultrafinos, lo hacen de una manera que es incluso más deseable que el silicio. Forman lo que se denominan aislantes de "alta K", que permiten un funcionamiento a menor potencia de lo que es posible con el silicio y su aislante de óxido de silicio.

A medida que los investigadores de Stanford comenzaron a reducir las diselenidas a una delgadez atómica, se dieron cuenta de que estos semiconductores ultrafinos comparten otra de las ventajas secretas del silicio:la energía necesaria para encender los transistores, un paso crítico en la informática, llamada banda prohibida - está en un rango justo. Demasiado bajo y los circuitos tienen fugas y se vuelven poco confiables. Demasiado alto y el chip requiere demasiada energía para funcionar y se vuelve ineficiente. Ambos materiales estaban en el mismo rango óptimo que el silicio.

Todo esto y las diselenidas también pueden configurarse en circuitos de solo tres átomos de espesor, o alrededor de dos tercios de un nanómetro, algo que el silicio no puede hacer.

"Los ingenieros no han podido hacer transistores de silicio más delgados que unos cinco nanómetros, antes de que las propiedades del material comiencen a cambiar de manera indeseable, "Dijo Pop.

La combinación de circuitos más delgados y el deseable aislamiento de alto K significa que estos semiconductores ultradelgados podrían convertirse en transistores 10 veces más pequeños que cualquier cosa posible con el silicio actual.

"El silicio no desaparecerá. Pero para los consumidores, esto podría significar una mayor duración de la batería y una funcionalidad mucho más compleja si estos semiconductores se pueden integrar con el silicio". "Dijo Pop.

Más trabajo por hacer

Queda mucho trabajo por delante. Primero, Mleczko y Pop deben refinar los contactos eléctricos entre transistores en sus circuitos ultradelgados de diselenuro. "Estas conexiones siempre han demostrado ser un desafío para cualquier semiconductor nuevo, y la dificultad aumenta a medida que reducimos los circuitos a la escala atómica, "Dijo Mleczko.

También están trabajando para controlar mejor los aisladores oxidados para garantizar que permanezcan lo más delgados y estables posible. Último, pero no menos importante, solo cuando estas cosas estén en orden, comenzarán a integrarse con otros materiales y luego a escalar a obleas de trabajo, circuitos complejos y, finalmente, sistemas completos.

"Hay más investigaciones por hacer, sino un nuevo camino hacia el adelgazamiento, circuitos más pequeños, y electrónica más eficiente en energía, está al alcance, "Dijo Pop.