Transistores em nanoescala poderiam permitir uma eletrônica mais eficiente | Notícias do MIT #ÚltimasNotícias

Os transistores de silício, usados ​​para amplificar e comutar sinais, são um componente crítico na maioria dos dispositivos eletrônicos, de smartphones a automóveis. Mas a tecnologia de semicondutores de silício é restringida por um limite físico fundamental que impede os transistores de operar abaixo de uma determinada tensão.

Este limite, conhecido como “tirania de Boltzmann”, prejudica a eficiência energética dos computadores e outros produtos eletrónicos, especialmente com o rápido desenvolvimento de tecnologias de inteligência artificial que exigem uma computação mais rápida.

Em um esforço para superar esse limite fundamental do silício, os pesquisadores do MIT fabricaram um tipo diferente de transistor tridimensional usando um conjunto exclusivo de materiais semicondutores ultrafinos.

Seus dispositivos, com nanofios verticais de apenas alguns nanômetros de largura, podem oferecer desempenho comparável aos transistores de silício de última geração, ao mesmo tempo em que operam com eficiência em tensões muito mais baixas do que os dispositivos convencionais.

“Esta é uma tecnologia com potencial para substituir o silício, então você poderia usá-la com todas as funções que o silício tem atualmente, mas com uma eficiência energética muito melhor”, diz Yanjie Shao, pós-doutorado do MIT e autor principal de um artigo sobre o novo transistores.

Os transistores aproveitam as propriedades da mecânica quântica para alcançar simultaneamente operação em baixa tensão e alto desempenho em uma área de apenas alguns nanômetros quadrados. Seu tamanho extremamente pequeno permitiria que mais desses transistores 3D fossem empacotados em um chip de computador, resultando em componentes eletrônicos rápidos e poderosos, que também são mais eficientes em termos energéticos.

“Com a física convencional, só podemos ir até certo ponto. O trabalho de Yanjie mostra que podemos fazer melhor do que isso, mas temos que usar uma física diferente. Ainda há muitos desafios a serem superados para que esta abordagem seja comercial no futuro, mas conceitualmente, é realmente um avanço”, afirma o autor sênior Jesús del Alamo, professor Donner de Engenharia no Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação do MIT. (CEES).

A eles se juntam no artigo Ju Li, professor de Engenharia Nuclear da Tokyo Electric Power Company e professor de ciência e engenharia de materiais no MIT; o estudante de pós-graduação do EECS, Hao Tang; pós-doutorado no MIT Baoming Wang; e os professores Marco Pala e David Esseni da Universidade de Udine, na Itália. A pesquisa aparece hoje em Eletrônica da Natureza.

Superando o silício

Em dispositivos eletrônicos, os transistores de silício geralmente operam como interruptores. A aplicação de uma tensão ao transistor faz com que os elétrons se movam através de uma barreira de energia de um lado para o outro, mudando o transistor de “desligado” para “ligado”. Ao comutar, os transistores representam dígitos binários para realizar cálculos.

A inclinação de comutação de um transistor reflete a nitidez da transição “desligado” para “ligado”. Quanto mais acentuada for a inclinação, menor será a tensão necessária para ligar o transistor e maior será a sua eficiência energética.

Mas devido à forma como os electrões se movem através de uma barreira de energia, a tirania de Boltzmann requer uma certa tensão mínima para ligar o transístor à temperatura ambiente.

Para superar o limite físico do silício, os pesquisadores do MIT usaram um conjunto diferente de materiais semicondutores – antimoneto de gálio e arsenieto de índio – e projetaram seus dispositivos para aproveitar um fenômeno único na mecânica quântica chamado tunelamento quântico.

O tunelamento quântico é a capacidade dos elétrons de penetrar barreiras. Os pesquisadores fabricaram transistores de tunelamento, que aproveitam essa propriedade para encorajar os elétrons a atravessar a barreira de energia em vez de ultrapassá-la.

“Agora você pode ligar e desligar o dispositivo com muita facilidade”, diz Shao.

Mas embora os transistores de tunelamento possam permitir inclinações acentuadas de comutação, eles normalmente operam com baixa corrente, o que prejudica o desempenho de um dispositivo eletrônico. Corrente mais alta é necessária para criar chaves de transistor poderosas para aplicações exigentes.

Fabricação refinada

Usando ferramentas do MIT.nano, a instalação de última geração do MIT para pesquisa em nanoescala, os engenheiros foram capazes de controlar cuidadosamente a geometria 3D de seus transistores, criando heteroestruturas verticais de nanofios com um diâmetro de apenas 6 nanômetros. Eles acreditam que estes são os menores transistores 3D relatados até hoje.

Essa engenharia precisa permitiu-lhes alcançar simultaneamente uma inclinação de comutação acentuada e uma corrente elevada. Isso é possível devido a um fenômeno chamado confinamento quântico.

O confinamento quântico ocorre quando um elétron está confinado a um espaço tão pequeno que não consegue se mover. Quando isso acontece, a massa efetiva do elétron e as propriedades do material mudam, permitindo um tunelamento mais forte do elétron através de uma barreira.

Como os transistores são tão pequenos, os pesquisadores podem criar um efeito de confinamento quântico muito forte e, ao mesmo tempo, fabricar uma barreira extremamente fina.

“Temos muita flexibilidade para projetar essas heteroestruturas de materiais para que possamos obter uma barreira de túnel muito fina, o que nos permite obter correntes muito altas”, diz Shao.

Fabricar com precisão dispositivos pequenos o suficiente para realizar isso foi um grande desafio.

“Estamos realmente interessados ​​nas dimensões de um nanômetro com este trabalho. Muito poucos grupos no mundo podem fabricar bons transistores nessa faixa. Yanjie é extraordinariamente capaz de fabricar transistores que funcionam bem e são extremamente pequenos”, diz del Alamo.

Quando os pesquisadores testaram seus dispositivos, a nitidez da inclinação de comutação estava abaixo do limite fundamental que pode ser alcançado com transistores de silício convencionais. Seus dispositivos também tiveram desempenho cerca de 20 vezes melhor do que transistores de tunelamento semelhantes.

“Esta é a primeira vez que conseguimos atingir uma inclinação de comutação tão acentuada com este design”, acrescenta Shao.

Os pesquisadores agora estão se esforçando para aprimorar seus métodos de fabricação para tornar os transistores mais uniformes em todo o chip. Com dispositivos tão pequenos, mesmo uma variação de 1 nanômetro pode alterar o comportamento dos elétrons e afetar a operação do dispositivo. Eles também estão explorando estruturas verticais em forma de aleta, além de transistores verticais de nanofios, o que poderia potencialmente melhorar a uniformidade dos dispositivos em um chip.

“Este trabalho caminha definitivamente na direção certa, melhorando significativamente o desempenho do transistor de efeito de campo de túnel quebrado (TFET). Ele demonstra uma inclinação acentuada junto com uma corrente de acionamento recorde. Ele destaca a importância de pequenas dimensões, confinamento extremo e materiais e interfaces de baixa defectividade no TFET de lacuna quebrada fabricado. Estas características foram realizadas através de um processo bem dominado e controlado pelo tamanho nanométrico”, diz Aryan Afzalian, membro principal da equipe técnica da organização de pesquisa em nanoeletrônica imec, que não esteve envolvido neste trabalho.

Esta pesquisa é financiada, em parte, pela Intel Corporation.