Los transistores fabricados a partir de dos materiales atómicamente delgados establecen un récord para el tamaño más pequeño.

Las propiedades de escala de los transistores grabados en silicio siempre son necesarias para ampliar las fronteras de la tecnología de fabricación. Sin embargo, el descubrimiento de materiales atómicamente delgados como el grafeno y los nanotubos de carbono ha planteado la posibilidad de reemplazar nuestras necesidades de fabricación con las propiedades naturales de estos materiales. Si se pudieran utilizar simplemente nanotubos de carbono de 1 nm de ancho, no habría necesidad de grabar características de 1 nm en el silicio.

Actualmente, se han producido algunos éxitos notables, como las puertas de 1 nanómetro fabricadas a partir de nanotubos de carbono individuales. Sin embargo, este trabajo a menudo implica el difícil proceso de colocar materiales atómicamente delgados en los lugares correctos para fabricar dispositivos funcionales. El resto del hardware suele estar hecho de materiales voluminosos tomados de diseños de transistores más tradicionales.

Sin embargo, un nuevo artículo de investigación publicado esta semana describe un diseño sin precedentes para la longitud de puerta de transistor más pequeña hasta la fecha. El récord lo establecieron los bordes de una lámina de grafeno, lo que significa que la rejilla tiene solo un átomo de carbono. Y al utilizar materiales con el espesor de un segundo átomo en componentes clave (además de una disposición inteligente de las piezas), el equipo de diseño garantizó que todo el transistor fuera fácil de fabricar y relativamente compacto.

Hacia la atomización

Un diseño de transistor estándar consta de dos electrodos conductores: fuente y drenaje, separados por un semiconductor. El estado de un semiconductor, es decir, si es conductor o aislante, está determinado por un tercer electrodo conductor llamado puerta. Si bien existen muchos criterios para medir el tamaño de un transistor, la longitud de la puerta es uno de los más importantes.

El silicio es probablemente el semiconductor más conocido, pero entre estos materiales también hay semiconductores atómicamente delgados, siendo el disulfuro de molibdeno el más destacado. Aunque el disulfuro de molibdeno no es tan delgado como un solo átomo debido a la disposición de los enlaces químicos, sigue siendo muy denso. Teniendo en cuenta sus propiedades útiles, buenas características y facilidad de uso, los investigadores utilizaron disulfuro de molibdeno como material semiconductor. Los electrodos de fuente y drenaje son simplemente tiras de metal que tocan el disulfuro de molibdeno.

En dispositivos anteriores de 1 nanómetro, la puerta estaba hecha de un único nanotubo de carbono. Hacerse más pequeño es difícil, pero no imposible. Las escamas de grafeno son como nanotubos de carbono planos: una lámina de átomos de carbono unidos entre sí. Si bien las escamas son mucho más grandes en longitud y anchura que los nanotubos, sólo tienen un átomo de carbono de espesor. Entonces, si puedes usar el borde del grafeno como puerta, puedes obtener una longitud de puerta muy pequeña.

Sin embargo, todos estos materiales se utilizan en innumerables dispositivos de prueba. El secreto de este nuevo esfuerzo reside en cómo están dispuestos. Parte de esta disposición es simplemente lograr que los bordes de la hoja de grafeno actúen como una cuadrícula en la dirección correcta. Sin embargo, una ventaja significativa de este diseño es su facilidad de fabricación, ya que no requiere un posicionamiento muy preciso de materiales atómicamente delgados.

Geometría ingeniosa

Para crear el dispositivo, los investigadores comenzaron con capas de silicio y dióxido de silicio. El silicio es puramente estructural: el transistor en sí no contiene silicio. Las láminas de grafeno están recubiertas de silicio y dióxido de silicio para formar el material de la puerta. Encima, los investigadores colocaron una capa de aluminio. Aunque el aluminio es un conductor, los investigadores lo dejaron reposar en el aire durante varios días, tiempo durante el cual su superficie se oxidó hasta formar óxido de aluminio. Entonces, la parte inferior de la lámina de grafeno es dióxido de silicio y la parte superior es óxido de aluminio, los cuales son aislantes. Esto aísla el borde del grafeno del resto del hardware del transistor.

Para exponer los bordes del grafeno de una manera útil, los investigadores simplemente grabaron a lo largo de los bordes del aluminio en el dióxido de silicio subyacente. Esto corta la lámina de grafeno, exponiendo bordes lineales que pueden usarse como puertas. En este punto, todo el dispositivo se cubre con una fina capa de óxido de hafnio, un aislante que proporciona un pequeño espacio entre la puerta y otros herrajes.

Arriba: Esquema de estructura del equipo. El negro es el sustrato de dióxido de silicio, el azul es el grafeno, el rojo es la capa de aluminio/óxido de aluminio y el amarillo es el dióxido de molibdeno. No se muestra la capa de óxido de hafnio.

A continuación, se colocan obleas semiconductoras de disulfuro de molibdeno sobre toda la estructura (ahora tridimensional). Como resultado, los bordes del grafeno (ahora incrustados en las paredes de las partes verticales del dispositivo) están cerca del disulfuro de molibdeno.

Los bordes del grafeno ahora se pueden utilizar como puertas para controlar la conductividad de los semiconductores. La longitud de la puerta es también el espesor de la lámina de grafeno: un solo átomo de carbono, o 0,34 nm.

A partir de ahí, el equipo simplemente colocó los electrodos de fuente y drenaje a cada lado de la puerta. El diseño tridimensional lo hace fácil. La fuente se coloca arriba y el desagüe abajo, con una pared vertical en el medio. Los investigadores llaman a su dispositivo transistor de pared lateral porque la puerta está en el medio de la pared lateral. )

Más que solo diseño.

Si bien muchas de las características del dispositivo se obtuvieron mediante modelado, los investigadores aparentemente han fabricado docenas de transistores. Algunos de ellos se sacrifican para obtener imágenes y confirmar si el material se encuentra en la ubicación esperada según el proceso de fabricación. Pero se utilizaron otros para demostrar que el hardware realmente podía funcionar como un transistor, aunque a un nivel de voltaje bastante alto para hacerlo. Su fuga también es lo suficientemente baja para un funcionamiento de baja potencia.

Por supuesto, los investigadores han ideado varias formas de mejorar los transistores. Sin embargo, el rendimiento de estos primeros dispositivos de demostración estaba un poco fuera de tema y más allá de sus capacidades.

Lo realmente importante es que los investigadores han encontrado una manera de utilizar los materiales atómicamente delgados más pequeños como parte de un transistor funcional. Agregar grafeno y sulfuro de molibdeno al dispositivo lo logra sin requerir un posicionamiento particularmente preciso. Esto se debe en parte a que las partes del grafeno (bordes) que deben colocarse con precisión se crean mediante grabado. Y el disulfuro de molibdeno debe colocarse lo suficientemente bien como para cubrir la compuerta y extenderse hasta donde pueda conectar la fuente y el drenaje.

Por supuesto, pasará mucho tiempo antes de que se puedan localizar fácilmente miles de millones de dispositivos basados ​​en esta arquitectura. Pero definitivamente es un paso necesario para llegar allí.