Fabrican el transistor más pequeño jamás logrado

Desde hace más de una década, los ingenieros buscan hasta dónde se puede reducir el tamaño de los componentes de los circuitos integrados. Sabían que las leyes de la física habían fijado un umbral de 5 nanómetros para el tamaño de las puertas de los transistores en los semiconductores convencionales, alrededor de un cuarto del tamaño de las puertas de los transistores de alta gama que hay ahora en el mercado, de 20 nanómetros.

Algunas leyes están hechas para ser rotas, o al menos desafiadas. Un equipo de investigación dirigido por el científico Ali Javey, del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), ha hecho eso mismo creando un transistor con una puerta operativa de 1 nanómetro. En comparación, una hebra de cabello humano tiene unos 50.000 nanómetros de espesor.

"Hicimos el transistor más pequeño conocido hasta la fecha", dice Javey, investigador principal del programa Electronic Materials de la División de Ciencia de los Materiales del Laboratorio Berkeley, en la información de éste. "La longitud de la puerta se considera una dimensión que define el transistor. Hemos conseguido un transistor de 1 nanómetro de puerta, mostrando que con la elección de los materiales adecuados, hay mucho más espacio para reducir la electrónica".

La clave fue utilizar nanotubos de carbono y disulfuro de molibdeno (MoS2), un lubricante de motor que se vende en tiendas de piezas de automóvil. El MoS2 es parte de una familia de materiales con un inmenso potencial para aplicaciones en LED, láser, transistores a nanoescala, células solares, y muchas más cosas.

Los resultados se han publicado en la revista Science, y en ellos han participado investigadores de otras universidades de EE.UU.

El desarrollo podría ser clave para mantener viva la predicción del cofundador de Intel, Gordon Moore, de que la densidad de los transistores de circuitos integrados se duplicaría cada dos años, permitiendo el aumento del rendimiento de nuestros ordenadores portátiles, teléfonos móviles, televisores y otros aparatos electrónicos.

"La industria de semiconductores ha asumido durante mucho tiempo que cualquier puerta por debajo de 5 nanómetros no funcionaría, así que cualquier cosa por debajo de eso ni siquiera era considerada", dice el autor principal del estudio Sujay Desai, estudiante graduado del laboratorio de Javey.

"Esta investigación muestra que esas puertas no deben ser dadas por imposibles. La industria ha estado apretando hasta el límite la capacidad del silicio. Al cambiar el silicio por MoS2, podemos hacer un transistor con una puerta de sólo 1 nanómetro de longitud, y hacerlo funcionar como un interruptor".

Electrones 'fuera de control'

Los transistores se componen de tres terminales: una fuente, un drenaje, y una puerta. La corriente fluye desde la fuente al drenaje, y el flujo es controlado por la puerta, que se enciende y apaga en respuesta a la tensión aplicada.

Tanto el silicio como el MoS2 tienen una estructura de red cristalina, pero los electrones que fluyen a través del silicio son más ligeros y se encuentran con menos resistencia que en el MoS2. Esto es una gran ayuda cuando la puerta es de 5 nanómetros o más. Pero por debajo de esa longitud, un fenómeno llamado efecto túnel cuántico entra en acción, y la barrera de la puerta ya no es capaz de controlar los electrones.

"Esto significa que no podemos apagar los transistores", dice Desai. "Los electrones están fuera de control."

Debido a que los electrones que fluyen a través de MoS2 son más pesados, su flujo se puede controlar con longitudes de puerta más pequeñas. El MoS2 también se puede escalar hacia abajo hasta hojas atómicamente delgadas, de alrededor de 0,65 nanómetros de espesor, con una constante dieléctrica inferior. La constante dieléctrica refleja la capacidad de un material para almacenar energía en un campo eléctrico. Estas dos propiedades, además de la masa del electrón, ayudan a mejorar el control del flujo de corriente dentro del transistor cuando la longitud de la puerta se reduce a 1 nanómetro.

La puerta

Una vez establecieron el MoS2 como el material semiconductor, era el momento de construir la puerta. Hacer una estructura de 1 nanómetro, observaron, no es poca cosa. Las técnicas de litografía convencionales no funcionan bien a esa escala, por lo que los investigadores recurrieron a los nanotubos de carbono, tubos cilíndricos huecos con diámetros de tan solo 1 nanómetro.

Luego midieron las propiedades eléctricas de los dispositivos para mostrar que el transistor de MoS2 con la puerta de nanotubos de carbono controlaba el flujo de electrones con eficiencia.

"Este trabajo es el transistor más pequeño conseguido hasta ahora", dice Javey, que también es profesor en la Universidad de California en Berkeley. "Sin embargo, es una prueba de concepto. Todavía no hemos empaquetado estos transistores en un chip, y no hemos hecho esto miles de millones de veces más. Tampoco hemos desarrollado esquemas de fabricación auto-alineados para reducir las resistencias parásitas en el dispositivo. Pero este trabajo es importante porque muestra que ya no estamos limitados a una puerta de 5 nanómetros para nuestros transistores. La Ley de Moore puede seguir viva un poco más con la ingeniería del material semiconductor y la arquitectura del dispositivo adecuadas".

Referencia bibliográfica:

Sujay B. Desai, Surabhi R. Madhvapathy, Angada B. Sachid, Juan Pablo Llinas, Qingxiao Wang, Geun Ho Ahn, Gregory Pitner, Moon J. Kim, Jeffrey Bokor, Chenming Hu, H.-S. Philip Wong, Ali Javey: MoS2 transistors with 1-nanometer gate lengths. Science (2016). DOI: 10.1126/science.aah4698.