Los transistores de silicio, que se utilizan para amplificar y convertir señales, son un componente crítico en la mayoría de los dispositivos electrónicos, desde teléfonos inteligentes hasta automóviles. Pero la tecnología de semiconductores de silicio se ve frenada por un límite físico fundamental que impide que los transistores funcionen por debajo de un determinado voltaje.
Este límite, conocido como la “tiranía de Boltzmann”, obstaculiza la eficiencia energética de las computadoras y otros dispositivos electrónicos, especialmente con el rápido desarrollo de tecnologías de inteligencia artificial que exigen cálculos más rápidos.
En un esfuerzo por superar esta limitación fundamental del silicio, los investigadores del MIT han desarrollado un tipo diferente de transistor tridimensional utilizando un conjunto único de materiales semiconductores ultrafinos.
Su dispositivo, que presenta nanocables verticales de sólo unos pocos nanómetros de ancho, puede proporcionar un rendimiento comparable al de los transistores de silicio de última generación y, al mismo tiempo, funcionar de manera eficiente a voltajes mucho más bajos que los dispositivos convencionales.
“Esta es una tecnología que tiene el potencial de reemplazar al silicio, por lo que se puede usar con todas las funciones del silicio actualmente, pero con una mejor eficiencia energética”, dijo Yanji Shao, postdoctorado del MIT y autor principal de un nuevo artículo. Transistor
Los transistores logran propiedades de la mecánica cuántica con un funcionamiento simultáneo de bajo voltaje y un alto rendimiento en tan solo unos pocos nanómetros cuadrados. Su tamaño extremadamente pequeño permitirá que estos transistores 3D se empaqueten en un chip de computadora, lo que dará como resultado una electrónica más rápida, más potente y con mayor eficiencia energética.
“Con la física convencional, sólo se puede llegar hasta cierto punto. El trabajo de Yanji muestra que podemos hacerlo mejor que eso, pero tenemos que usar una física diferente. Todavía hay muchos desafíos que superar para este enfoque comercialmente. El futuro, pero conceptualmente, es realmente un gran avance”, dijo el autor principal Jesús Del Alamo, Profesor Donner de Ingeniería en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación del MIT.
Zhu Li, profesor de ingeniería nuclear en Tokyo Electric Power Company y profesor de ciencia e ingeniería de materiales en el MIT, contribuyó a su artículo; el estudiante graduado de EECS, Hao Tang; el postdoctorado del MIT Baoming Wang; y los profesores Marco Pala y David Esseni de la Universidad de Udine, Italia. La investigación muestra Electrónica de la naturaleza.
Superando al silicio
En los dispositivos electrónicos, los transistores de silicio suelen actuar como interruptores. La aplicación de un voltaje al transistor hace que los electrones se muevan de un lado a través de una barrera de energía, lo que hace que el transistor pase de “apagado” a “encendido”. Al conmutar, el transistor representa los números binarios a contar.
La pendiente de conmutación de un transistor refleja la nitidez de la transición de “apagado” a “encendido”. Cuanto mayor sea la pendiente, menor será el voltaje necesario para encender el transistor y mayor será su eficiencia energética.
Pero debido a la forma en que los electrones cruzan una barrera de energía, la tortura de Boltzmann requiere un cierto voltaje mínimo para encender el transistor a temperatura ambiente.
Para superar los límites físicos del silicio, los investigadores del MIT utilizaron un conjunto diferente de materiales semiconductores (antimonuro de galio y arseniuro de indio) y diseñaron sus dispositivos para aprovechar un fenómeno único en la mecánica cuántica llamado túnel cuántico.
El túnel cuántico es la capacidad de los electrones para atravesar barreras. Los investigadores han desarrollado transistores de efecto túnel, que utilizan esta propiedad para alentar a los electrones a atravesar la barrera de energía en lugar de superarla.
“Ahora puedes encender y apagar el dispositivo muy fácilmente”, dijo Shao.
Pero si bien los transistores de efecto túnel pueden permitir pendientes pronunciadas de conmutación, normalmente funcionan con corrientes bajas, lo que dificulta el rendimiento de un dispositivo electrónico. Se requieren corrientes más altas para fabricar interruptores de transistores potentes para aplicaciones exigentes.
Fabricación de grano fino
Utilizando equipos en MIT.nano, la instalación de última generación del MIT para la investigación a nanoescala, los ingenieros pudieron controlar cuidadosamente la geometría 3D de sus transistores, creando heteroestructuras verticales de nanocables con un diámetro de sólo 6 nanómetros. Creen que estos son los transistores 3D más pequeños jamás conocidos.
Una ingeniería tan precisa les permite lograr simultáneamente una pendiente de conmutación pronunciada y una corriente alta. Esto es posible gracias a un fenómeno llamado confinamiento cuántico.
El confinamiento cuántico ocurre cuando un electrón está confinado en un espacio tan pequeño que no puede moverse. Cuando esto sucede, la masa efectiva del electrón y las propiedades materiales cambian, lo que permite un fuerte túnel del electrón a través de una barrera.
Debido a que los transistores son tan pequeños, los investigadores pueden diseñar un efecto de confinamiento cuántico muy fuerte y al mismo tiempo crear una barrera extremadamente delgada.
“Tenemos mucha flexibilidad para diseñar estas heteroestructuras materiales de modo que podamos lograr una barrera de túneles muy delgada, lo que nos permite obtener corrientes muy altas”, dijo Shao.
Fabricar con precisión dispositivos lo suficientemente pequeños para lograr esto fue un gran desafío.
“Estamos realmente en la escala de un solo nanómetro con este trabajo. Muy pocos grupos en el mundo pueden fabricar buenos transistores en ese rango. Yanji es notablemente capaz de fabricar transistores de buen rendimiento que son extremadamente pequeños”, dijo Del Alamo.
Cuando los investigadores probaron sus dispositivos, la agudeza de la pendiente de conmutación estaba por debajo del límite fundamental que se puede lograr con los transistores de silicio convencionales. Sus dispositivos funcionaron unas 20 veces mejor que transistores de túnel similares.
“Esta es la primera vez que hemos podido lograr una inclinación de conmutación tan marcada con este diseño”, añade Shaw.
Los investigadores ahora están tratando de mejorar sus métodos de fabricación para hacer que los transistores sean más uniformes en todo el chip. Con dispositivos tan pequeños, incluso una variación de 1 nanómetro puede cambiar el comportamiento de los electrones y afectar el funcionamiento del dispositivo. Están explorando estructuras verticales en forma de aletas además de transistores de nanocables verticales, lo que potencialmente podría mejorar la uniformidad de los dispositivos en un chip.
Esta investigación fue financiada parcialmente por Intel Corporation.