Nova Técnica Permite Transistores 2D para Microchips Ultra-Compactos

Materiais atomicamente finos são uma alternativa promissora a transistores baseados em silício; agora pesquisadores podem conectá-los mais eficientemente 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, tem esbarrado em limites físicos básicos. Esses limites poderiam trazer décadas de progresso a um fim — a menos que novas abordagens sejam encontradas.

Uma nova direção 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 tem se mostrado difícil.

Agora, pesquisadores do MIT, Universidade da Califórnia em Berkeley, Taiwan Semiconductor Manufacturing Company e outros, encontraram uma nova forma de fazer essas conexões elétricas, o que poderia ajudar a liberar o potencial de materiais 2D e promover a miniaturização de componentes — possivelmente o suficiente para 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 metálico e um material semicondutor monocamada", disse Dr. Cong Su, agora na UC Berkeley. A solução provou ser simples: o uso de um semimetal, o elemento bismuto, no lugar de metais comuns para conectar com o material monocamada.

Tais materiais monocamada ultrfinos, neste caso dissulfeto de molibdênio, são vistos como um grande concorrente para contornar os limites de miniaturização agora encontrados pela tecnologia de transistores baseada em silício. Mas, segundo Su, criar uma interface eficiente e altamente condutiva entre tais materiais e condutores metálicos para conectá-los entre si e a outros dispositivos e fontes de energia era um desafio que impedia o progresso em direção a tais soluções.

A interface entre metais e materiais semicondutores (incluindo esses semicondutores monocamada) produz um fenômeno chamado estado de lacuna induzido por metal, que leva à formação de uma barreira de Schottky, fenômeno que inibe o fluxo de portadores de carga. O uso de um semimetal, cujas propriedades eletrônicas ficam entre as de metais e semicondutores, combinado com alinhamento de energia adequado entre os dois materiais, mostrou-se capaz de eliminar o problema.

Dr. Yuxuan Lin explicou que o ritmo rápido de miniaturização dos transistores que compõem processadores de computador e chips de memória estagnou 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 retomou. Mas agora, ele diz, "achamos que estamos à beira de outro gargalo".

Materiais bidimensionais, folhas finas de apenas um ou poucos átomos de espessura, atendem a todos os requisitos para permitir um novo salto na miniaturização de transistores, potencialmente reduzindo várias vezes um parâmetro chave chamado comprimento do canal — de cerca de 5 a 10 nanômetros, em chips de ponta atuais, 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 alcançar um contato metálico de baixa resistência com tais materiais também tem atrapalhado a pesquisa básica sobre a física desses novos materiais monocamada. Como os métodos de conexão existentes têm resistência tão alta, os minúsculos sinais necessários para monitorar o comportamento de elétrons no material são fracos demais para passar.

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

Enquanto isso, os pesquisadores continuam explorando mais, continuando a reduzir o tamanho de seus dispositivos e procurando outros emparelhamentos de materiais que possam permitir melhor contato elétrico com o outro tipo de portadores de carga — lacunas. Resolveram o problema para o chamado transistor tipo N, mas se encontrarem uma combinação de canal e material de contato elétrico para permitir um transistor tipo P monocamada eficiente também, isso abriria muitas novas possibilidades para chips de próxima geração, dizem eles.