En la interfaz entre el semimetal (bismuto) y el semiconductor 2D (MoS2), no hay barrera de energía para que pase el electrón, conduciendo a una resistencia de contacto ultrabaja entre ellos. Crédito:Instituto de Tecnología de Massachusetts
Ley de Moore, la famosa predicción de que la cantidad de transistores que se pueden empaquetar en un microchip se duplicará cada dos años, ha estado tropezando con límites físicos básicos. Estos límites podrían detener décadas de progreso, a menos que se encuentren nuevos enfoques.
Una nueva dirección que se está explorando es el uso de materiales atómicamente delgados 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, la Universidad de California en Berkeley, la empresa de fabricación de semiconductores de Taiwán, y en otros lugares han encontrado una nueva forma de hacer esas conexiones eléctricas, lo que podría ayudar a liberar el potencial de los materiales 2D y promover la miniaturización de los componentes, posiblemente lo suficiente para extender la Ley de Moore, al menos en el futuro cercano, dicen los investigadores.
Los hallazgos se describen esta semana en la revista Nature, en un artículo de los recién graduados del MIT Pin-Chun Shen Ph.D. '20 y Cong Su Ph.D. '20, postdoctorado Yuxuan Lin Ph.D. '19, Los profesores del MIT, Jing Kong, Tomás Palacios, y Ju Li, y otras 17 personas en el MIT, UC Berkeley, y otras instituciones.
"Resolvimos uno de los mayores problemas en la miniaturización de dispositivos semiconductores, la resistencia de contacto entre un electrodo metálico y un material semiconductor monocapa, "dice Su, que ahora está en UC Berkeley. La solución resultó ser simple:el uso de un semimetal, el elemento bismuto, para tomar el lugar de los metales ordinarios para conectar con el material monocapa.
Una ilustración del transistor semiconductor monocapa. Crédito:Instituto de Tecnología de Massachusetts
Tales materiales de monocapa ultrafinos, en este caso disulfuro de molibdeno, son vistos como un competidor importante para una forma de sortear los límites de miniaturización que ahora encuentra la tecnología de transistores basada en silicio. Pero creando un interfaz altamente conductora entre dichos materiales y conductores metálicos, para conectarlos entre sí y a otros dispositivos y fuentes de alimentación, fue un desafío que frenó el progreso hacia tales soluciones, Su dice.
La interfaz entre los metales y los materiales semiconductores (incluidos estos semiconductores monocapa) produce un fenómeno llamado estado de separación inducido por metales, que conduce a la formación de una barrera de Schottky, un fenómeno que inhibe el flujo de portadores de carga. El uso de un semimetal, cuyas propiedades electrónicas se encuentran entre las de los metales y los semiconductores, combinado con una alineación de energía adecuada entre los dos materiales, resultó para eliminar el problema.
Lin explica que el rápido ritmo de miniaturización de los transistores que componen los procesadores de computadora y los chips de memoria se ha estancado antes, alrededor de 2000, hasta que un nuevo desarrollo que permitió una arquitectura tridimensional de dispositivos semiconductores en un chip rompió el atasco en 2007 y se reanudó el rápido progreso. Pero ahora, él dice, "Creemos que estamos al borde de otro cuello de botella".
Los llamados materiales bidimensionales, láminas delgadas de solo uno o unos pocos átomos de espesor, cumplir con todos los requisitos para permitir un nuevo salto en la miniaturización de transistores, potencialmente reduciendo varias veces un parámetro clave llamado longitud del canal, de alrededor de 5 a 10 nanómetros, en virutas actuales de última generación, a una escala subnanométrica. Se está explorando ampliamente una variedad de tales materiales, incluyendo toda una familia de compuestos conocidos como dicalcogenuros de metales de transición. El disulfuro de molibdeno utilizado en los nuevos experimentos pertenece a esta familia.
Con esta tecnología, Se demuestran transistores miniaturizados con prestaciones extraordinarias, cumpliendo con los requisitos de la hoja de ruta tecnológica para los futuros transistores y microchips. Crédito:Instituto de Tecnología de Massachusetts
El problema de lograr un contacto metálico de baja resistencia con dichos materiales también ha obstaculizado la investigación básica sobre la física de estos nuevos materiales monocapa. Debido a que los métodos de conexión existentes tienen una resistencia tan alta, las diminutas señales necesarias para controlar el comportamiento de los electrones en el material son demasiado débiles para pasar. "Hay numerosos ejemplos provenientes del lado de la física que requieren una baja resistencia de contacto entre el metal y un semiconductor. Entonces, también es un gran problema en el mundo de la física, "Su dice.
Descubrir cómo ampliar e integrar dichos sistemas a nivel comercial podría llevar algún tiempo y requerir más ingeniería. Pero para tales aplicaciones de la física, los investigadores dicen, el impacto de los nuevos hallazgos se pudo sentir rápidamente. "Creo que en física, muchos experimentos pueden beneficiarse de esta tecnología de forma inmediata, "Su dice.
Mientras tanto, los investigadores continúan explorando más, continuar reduciendo el tamaño de sus dispositivos y buscando otros pares de materiales que puedan permitir mejores contactos eléctricos con el otro tipo de portadores de carga, conocido como agujeros. Resolvieron el problema del llamado transistor tipo N, pero si pueden encontrar una combinación de canal y material de contacto eléctrico para habilitar también un transistor monocapa de tipo P eficiente, que abriría muchas posibilidades nuevas para los chips de próxima generación, ellos dicen.
Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.
