Este avanço pode permitir transistores 2D para componentes de microchip menores

Materiais atomicamente finos são uma alternativa promissora aos transistores baseados em silício; agora os pesquisadores podem conectá-los de forma mais eficiente a outros elementos do chip.

A Lei de Moore, a famosa previsão de que o número de transistores que podem ser empacotados em um microchip dobrará a cada dois anos, vem esbarrando em limites físicos básicos. Esses limites podem interromper décadas de progresso – a menos que novas abordagens sejam encontradas.

Uma nova direção que está sendo explorada é o uso de materiais atomicamente finos em vez de silício como base para novos transistores, mas conectar esses materiais “2D” a outros componentes eletrônicos convencionais provou ser difícil.

Agora, pesquisadores do MIT, da Universidade da Califórnia em Berkeley, da Taiwan Semiconductor Manufacturing Company e de outros lugares encontraram uma nova maneira de fazer essas conexões elétricas, o que poderia ajudar a liberar o potencial dos materiais 2D e promover a miniaturização de componentes – possivelmente o suficiente estender a Lei de Moore, pelo menos no futuro próximo, dizem os pesquisadores.

“Resolvemos um dos maiores problemas na miniaturização de dispositivos semicondutores, a resistência de contato entre um eletrodo de metal e um material semicondutor de monocamada”, disse o Dr. Cong Su, que agora está na UC Berkeley. A solução provou ser simples:o uso de um semimetal, o elemento bismuto, para substituir os metais comuns para se conectar com o material monocamada.

Esses materiais de monocamada ultrafinos, neste caso o dissulfeto de molibdênio, são vistos como um dos principais candidatos a uma maneira de contornar os limites de miniaturização agora encontrados pela tecnologia de transistor à base de silício. Mas, de acordo com Su, criar uma interface eficiente e altamente condutora entre esses materiais e condutores metálicos para conectá-los uns aos outros e a outros dispositivos e fontes de energia foi um desafio que impediu o progresso dessas soluções.

A interface entre metais e materiais semicondutores (incluindo esses semicondutores de monocamada) produz um fenômeno chamado estado de lacuna induzido por metal, que leva à formação de uma barreira Schottky, um fenômeno que inibe o fluxo de portadores de carga. A utilização de um semimetal, cujas propriedades eletrônicas se situam entre as dos metais e dos semicondutores, aliada ao alinhamento adequado de energia entre os dois materiais, acabou eliminando o problema.

Dr. Yuxuan Lin explicou que o ritmo acelerado de miniaturização dos transistores que compõem os processadores de computador e chips de memória parou antes, por volta de 2000, até que um novo desenvolvimento que permitiu uma arquitetura tridimensional de dispositivos semicondutores em um chip quebrou o impasse em 2007 e o rápido progresso foi retomado. Mas agora, diz ele, “achamos que estamos à beira de outro gargalo”.

Os chamados materiais bidimensionais, folhas finas com apenas um ou alguns átomos de espessura, atendem a todos os requisitos para permitir um salto adicional na miniaturização de transistores, potencialmente reduzindo em várias vezes um parâmetro-chave chamado comprimento do canal – de cerca de 5 para 10 nanômetros, em chips atuais de ponta, para uma escala sub-nanômetro. Uma variedade de tais materiais está sendo amplamente explorada, incluindo uma família de compostos conhecidos como dicalcogenetos de metais de transição. O dissulfeto de molibdênio usado nos novos experimentos pertence a esta família. A questão de obter um contato metálico de baixa resistência com tais materiais também tem dificultado a pesquisa básica sobre a física desses novos materiais de monocamada. Como os métodos de conexão existentes têm uma resistência tão alta, os minúsculos sinais necessários para monitorar o comportamento dos elétrons no material são muito fracos para serem transmitidos.

Descobrir como expandir e integrar esses sistemas em um nível comercial pode levar algum tempo e exigir mais engenharia. Mas para tais aplicações físicas, dizem os pesquisadores, o impacto das novas descobertas pode ser sentido rapidamente.

Enquanto isso, os pesquisadores continuam a explorar mais, reduzindo o tamanho de seus dispositivos e procurando outros pares de materiais que possam permitir um melhor contato elétrico com o outro tipo de portadores de carga – buracos. Eles resolveram o problema para o chamado transistor tipo N, mas se eles puderem encontrar uma combinação de canal e material de contato elétrico para permitir um transistor tipo P de monocamada eficiente, isso abriria muitas novas possibilidades para a próxima geração batatas fritas, eles dizem.