Los investigadores reconsideran el transistor a nivel material

Los transistores están llegando a sus límites físicos en tamaño y velocidad. A medida que los transistores se hacen más pequeños, la distancia entre la fuente y el drenaje disminuye, lo que genera altas corrientes de fuga. Y a medida que el tamaño del transistor se acerca al nivel atómico, es difícil controlar el flujo de corriente, lo que genera una mayor probabilidad de errores de cálculo.

Los transistores más pequeños significan velocidades de conmutación más lentas, lo que es especialmente problemático en aplicaciones más nuevas como la inteligencia artificial, donde se deben procesar conjuntos de datos masivos. Una integración más densa también se convierte en un desafío debido a los problemas de gestión térmica y de apilamiento.

Este artículo analiza los desarrollos de investigación recientes que amplían los límites de las tecnologías de transistores existentes y cómo pueden superar a los dispositivos actuales.

Los transistores actuales son voluminosos y no se pueden apilar verticalmente fácilmente para alta densidad. Para tal integración, los transistores deben estar hechos de materiales 2D ultrafinos, que tienen solo unos pocos átomos de espesor. Sin embargo, cultivar materiales 2D en una oblea de silicio es un desafío porque generalmente requiere una temperatura de alrededor de 600 °C, y los circuitos solo pueden soportar hasta 400 °C.

Para abordar estos problemas, los investigadores del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) han desarrollado un proceso de baja temperatura para hacer crecer materiales 2D en un chip sin dañarlos. El nuevo proceso reduce el tiempo que lleva crear los materiales 2D y crea una capa uniforme sobre toda el área de la superficie. Como resultado, el nuevo proceso se puede utilizar para superficies más grandes que los procesos convencionales.

Los investigadores del MIT se centraron en el disulfuro de molibdeno, un material transparente y flexible con propiedades electrónicas y fotónicas, para demostrar y validar su nuevo proceso. Su proceso se coloca en un horno con dos cámaras: una región de baja temperatura en el frente y una región de alta temperatura en la parte posterior. La oblea se coloca al frente para que quede intacta. Los precursores de molibdeno y azufre vaporizados se bombean al horno. El molibdeno permanece en el frente y el precursor de azufre fluye en la región de alta temperatura para descomponerse. Después de la descomposición, fluye de regreso a la cámara de baja temperatura, donde crece el disulfuro de molibdeno.

Los investigadores colocaron la oblea verticalmente en la cámara frontal para que ningún borde estuviera demasiado cerca de la región de alta temperatura. También depositaron una fina capa de material de pasivación sobre el chip para evitar la sulfurización de metales como el aluminio y el cobre, comúnmente utilizados en circuitos de silicio para conectar un paquete o soporte. Posteriormente se retira la capa de pasivación para realizar las conexiones. Los investigadores planean afinar su técnica y explorar la aplicación de este proceso para superficies flexibles como polímeros, textiles y papeles.

Los investigadores de Forschungszentrum Jülich han explorado materiales con propiedades electrónicas más favorables que el silicio para circuitos de mejor rendimiento. Recientemente fabricaron una aleación de germanio y estaño que tiene muchos beneficios sobre los transistores de silicio convencionales.

El germanio exhibe una mayor movilidad de electrones que el silicio. Los investigadores agregaron átomos de estaño a la red de germanio para optimizar aún más las propiedades electrónicas del material. La movilidad de electrones de la nueva aleación es 2,5 veces mayor que la de los transistores de germanio puro y es compatible con el proceso de fabricación CMOS actual.

Los nuevos transistores funcionan a temperaturas de hasta 12 Kelvin, una mejora importante para los transistores existentes que necesitan alto voltaje para cambiar a temperaturas inferiores a 50 Kelvin, consumiendo más energía. Los científicos afirman que con más mejoras, su aleación podría incluso permitir que los transistores funcionen a temperaturas inferiores a 12 Kelvin. El equipo cree que su tecnología es una candidata prometedora para chips de alto rendimiento, bajo consumo y próxima generación, y posiblemente para el futuro de las computadoras cuánticas.

Investigadores de la Universidad de Linköping y el Instituto Real de Tecnología KTH han creado un transistor con madera. Utilizaron madera de balsa, una madera sin vetas y de estructura uniforme, para esta aplicación. Removieron la lignina, dejando solo fibras de celulosa con canales, que luego se llenaron con un polímero conductor llamado PEDOT:PSS.

El equipo descubrió que su dispositivo regulaba la corriente eléctrica y proporcionaba un funcionamiento continuo a un nivel de salida seleccionado. Sin embargo, el tiempo de cambio fue muy largo. Tardó aproximadamente un segundo en apagarse y cinco segundos en encenderse.

Según los investigadores, estos transistores orgánicos se pueden utilizar para aplicaciones de alta potencia, ya que pueden soportar corrientes elevadas. Si bien el equipo no ha creado este dispositivo para ninguna aplicación específica, esperan que su investigación allane el camino para la futura electrónica orgánica.