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2021-05-14El avance podría permitir transistores 2D para componentes de microchips más pequeños

MIT |Los materiales atómicamente finos son una alternativa prometedora a los transistores de silicio; ahora los investigadores pueden conectarlos de forma más eficiente a otros elementos del chip.

La Ley de Moore, la famosa predicción de que el número de transistores que se pueden meter en un microchip se duplicará cada dos años, ha ido chocando con límites físicos básicos. Estos límites podrían paralizar décadas de progreso, a menos que se encuentren nuevos enfoques.

Una de las nuevas direcciones que se están explorando es el uso de materiales atómicamente finos en lugar de silicio como base de los nuevos transistores, pero la conexión de esos materiales "2D" con otros componentes electrónicos convencionales ha resultado difícil.

Ahora, investigadores del MIT, la Universidad de California en Berkeley y la Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, entre otros, han encontrado una nueva forma de realizar esas conexiones eléctricas, lo que podría ayudar a liberar el potencial de los materiales 2D y fomentar la miniaturización de los componentes, posiblemente lo suficiente como para ampliar la Ley de Moore, al menos en un futuro próximo, afirman los investigadores.

Los hallazgos se describen esta semana en la revista Nature, en un trabajo realizado por los recién graduados del MIT Pin-Chun Shen PhD ´20 y Cong Su PhD ´20, el postdoc Yuxuan Lin PhD ´19, los profesores del MIT Jing Kong, Tomas Palacios y Ju Li, y otras 17 personas del 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 la UC Berkeley. La solución resultó ser sencilla: el uso de un semimetal, el elemento bismuto, para sustituir a los metales ordinarios en la conexión con el material monocapa.

Este tipo de materiales monocapa ultrafinos, en este caso el disulfuro de molibdeno, se considera uno de los principales competidores para superar los límites de miniaturización a los que se enfrenta ahora la tecnología de transistores basados en el silicio. Pero la creación de una interfaz eficiente y altamente conductora entre estos materiales y los conductores metálicos, para conectarlos entre sí y con otros dispositivos y fuentes de energía, era un reto que frenaba el avance hacia estas soluciones, afirma Su.

La interfaz entre los metales y los materiales semiconductores (incluidos estos semiconductores monocapa) produce un fenómeno denominado estado de separación inducido por el metal, que conduce a la formación de una barrera Schottky, un fenómeno que inhibe el flujo de portadores de carga. El uso de un semimetal, cuyas propiedades electrónicas se sitúan entre las de los metales y las de los semiconductores, combinado con una alineación energética adecuada entre los dos materiales, resultó eliminar el problema.

Lin explica que el rápido ritmo de miniaturización de los transistores que componen los procesadores informáticos y los chips de memoria ya se había estancado antes, en torno al año 2000, hasta que un nuevo avance que permitió una arquitectura tridimensional de los dispositivos semiconductores en un chip rompió el estancamiento en 2007 y se reanudó el rápido progreso. Pero ahora, dice, "creemos que estamos al borde de otro cuello de botella".

Los llamados materiales bidimensionales, finas láminas de sólo uno o unos pocos átomos de grosor, cumplen todos los requisitos para permitir un nuevo salto en la miniaturización de los transistores, reduciendo potencialmente varias veces un parámetro clave llamado longitud del canal, de unos 5 a 10 nanómetros, en los actuales chips de vanguardia, a una escala subnanométrica. Se están estudiando diversos materiales de este tipo, incluida 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.

El problema de conseguir un contacto metálico de baja resistencia con estos 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 atravesarlas. "Hay numerosos ejemplos procedentes de la física que exigen una baja resistencia de contacto entre el metal y un semiconductor. Así que también es un gran problema en el mundo de la física", afirma Su.

Averiguar cómo ampliar e integrar estos sistemas a nivel comercial podría llevar algún tiempo y requerir más ingeniería. Sin embargo, los investigadores afirman que, en el caso de las aplicaciones de la física, el impacto de los nuevos descubrimientos se podría notar rápidamente. "Creo que en física, muchos experimentos pueden beneficiarse de esta tecnología de forma inmediata", afirma Su.

Mientras tanto, los investigadores siguen explorando, continuando con la reducción del tamaño de sus dispositivos y buscando otros emparejamientos de materiales que puedan permitir mejores contactos eléctricos con el otro tipo de portadores de carga, conocidos como huecos. Han resuelto el problema del llamado transistor de tipo N, pero si consiguen encontrar una combinación de material de canal y contacto eléctrico que permita también un transistor monocapa de tipo P eficiente, se abrirían muchas nuevas posibilidades para los chips de próxima generación, dicen.

Además del MIT y la Universidad de California en Berkeley, en el equipo participaron investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, la Compañía de Fabricación de Semiconductores de Taiwán, la Universidad Nacional de Taiwán y la Universidad Rey Abdullah de Ciencia y Tecnología de Arabia Saudí. El trabajo contó con el apoyo de la Fundación Nacional de la Ciencia, la Oficina de Investigación del Ejército de Estados Unidos, la Oficina de Investigación Naval y el Departamento de Energía de Estados Unidos.

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