Los transistores de silicio, que se utilizan para amplificar y conmutar 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 “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 este límite fundamental del silicio, los investigadores del MIT fabricaron un tipo diferente de transistor tridimensional utilizando un conjunto único de materiales semiconductores ultrafinos.
Sus dispositivos, que cuentan con nanocables verticales de sólo unos pocos nanómetros de ancho, pueden ofrecer 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 con potencial para reemplazar al silicio, por lo que podría usarse con todas las funciones que el silicio tiene actualmente, pero con una eficiencia energética mucho mejor», dice Yanjie Shao, postdoctorado del MIT y autor principal de un artículo sobre el nuevo transistores.
Los transistores aprovechan las propiedades de la mecánica cuántica para lograr simultáneamente un funcionamiento de bajo voltaje y un alto rendimiento en un área de tan solo unos pocos nanómetros cuadrados. Su tamaño extremadamente pequeño permitiría empaquetar más de estos transistores 3D en un chip de computadora, lo que daría como resultado una electrónica rápida y potente que también es más eficiente energéticamente.
“Con la física convencional, sólo se puede llegar hasta cierto punto. El trabajo de Yanjie muestra que podemos hacerlo mejor que eso, pero tenemos que utilizar una física diferente. Aún quedan muchos desafíos por superar para que este enfoque sea comercial en el futuro, pero conceptualmente, realmente es un gran avance”, dice el autor principal Jesús del Álamo, profesor Donner de Ingeniería en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática del MIT. (EECS).
A ellos se unen en el artículo Ju Li, profesor de ingeniería nuclear de la Tokyo Electric Power Company y profesor de ciencia e ingeniería de materiales en el MIT; 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 en Italia. La investigación aparece hoy en Electrónica de la naturaleza.
Superando al silicio
En los dispositivos electrónicos, los transistores de silicio suelen funcionar como interruptores. La aplicación de un voltaje al transistor hace que los electrones se muevan a través de una barrera de energía de un lado al otro, cambiando el transistor de «apagado» a «encendido». Al conmutar, los transistores representan dígitos binarios para realizar cálculos.
La pendiente de conmutación de un transistor refleja la nitidez de la transición de «apagado» a «encendido». Cuanto más pronunciada sea la pendiente, menos voltaje se necesitará para encender el transistor y mayor será su eficiencia energética.
Pero debido a la forma en que los electrones se mueven a través de una barrera de energía, la tiranía de Boltzmann requiere un cierto voltaje mínimo para encender el transistor a temperatura ambiente.
Para superar el límite físico 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 fabricaron transistores de efecto túnel, que aprovechan esta propiedad para alentar a los electrones a atravesar la barrera de energía en lugar de atravesarla.
«Ahora puedes encender y apagar el dispositivo muy fácilmente», dice Shao.
Pero si bien los transistores de efecto túnel pueden permitir pendientes pronunciadas de conmutación, normalmente funcionan con baja corriente, lo que dificulta el rendimiento de un dispositivo electrónico. Es necesaria una corriente más alta para crear potentes interruptores de transistores para aplicaciones exigentes.
Fabricación de grano fino
Utilizando herramientas 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 reportados hasta la fecha.
Una ingeniería tan precisa les permitió lograr una pendiente de conmutación pronunciada y una corriente alta simultáneamente. 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 del material cambian, lo que permite un túnel más fuerte 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 fabricar una barrera extremadamente delgada.
«Tenemos mucha flexibilidad para diseñar estas heteroestructuras de materiales de modo que podamos lograr una barrera de túnel muy delgada, lo que nos permite obtener una corriente muy alta», dice Shao.
Precisamente fabricar dispositivos que fueran lo suficientemente pequeños para lograr esto fue un gran desafío.
“Con este trabajo realmente nos adentramos en las dimensiones de un solo nanómetro. Muy pocos grupos en el mundo pueden fabricar buenos transistores en ese rango. Yanjie es extraordinariamente capaz de crear transistores que funcionen tan bien y que sean extremadamente pequeños”, dice del Álamo.
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 también 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 Shao.
Los investigadores ahora se esfuerzan por 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. También están explorando estructuras verticales en forma de aletas, además de transistores de nanocables verticales, que potencialmente podrían mejorar la uniformidad de los dispositivos en un chip.
“Este trabajo definitivamente avanza en la dirección correcta, mejorando significativamente el rendimiento del transistor de efecto de campo de túnel (TFET). Demuestra una pendiente pronunciada junto con una corriente de impulsión récord. Destaca la importancia de las dimensiones pequeñas, el confinamiento extremo y los materiales e interfaces de baja defectividad en el TFET de espacio roto fabricado. Estas características se han logrado mediante un proceso bien dominado y controlado en tamaño nanométrico”, afirma Aryan Afzalian, miembro principal del personal técnico de la organización de investigación en nanoelectrónica imec, que no participó en este trabajo.
Esta investigación está financiada, en parte, por Intel Corporation.
