Eletrônica abaixo do nanômetro: Primeiros transistores estão prontos

Eletrnica

Redação do Site Inovação Tecnológica – 04/07/2024

Transistores 1D e 2D

Enquanto a TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company), uma das maiores fabricantes de chips do mundo, anuncia com orgulho o avano na produo de transistores de 2 nanmetros (nm), pesquisadores coreanos desenvolveram uma nova tcnica que viabiliza a eletrnica sub-nanmetro.

Os chips mais avanados j em estgio comercial usam tecnologia de 3 nanmetros. Ao ficar abaixo de 1 nm, o avano obtido agora significa que os componentes eletrnicos esto se aproximando do reino atmico – um tomo de silcio tem um dimetro de cerca de 0,23 nanmetro.

Heonsu Ahn e colegas do Instituto de Cincias Bsicas, na Coreia do Sul, implementaram um novo mtodo que consegue fazer crescimento epitaxial de materiais metlicos unidimensionais (1D, ou nanofio) com largura inferior a 1 nm. Esse processo foi ento aplicado para desenvolver uma nova estrutura para circuitos lgicos usando semicondutores bidimensionais (2D) – os nanofios metlicos 1D funcionam como eletrodo de porta dos transistores 2D.

Existe um amplo esforo de desenvolvimento de semicondutores bidimensionais (2D), que apresentam excelentes propriedades mesmo no limite extremo da espessura de um material, j na escala atmica, mas esses esforos tipicamente envolvem os chamados materiais de van der Waals, como a molibdenita, os dicalcogenetos de metais de transio ou mesmo o grafeno.

Mas construir transistores ultraminiaturizados, capazes de controlar o movimento dos eltrons dentro de poucos nanmetros, ainda impe desafios tcnicos significativos, tendo rendido at agora apenas prottipos em escala de laboratrio, ou mesmo ainda enfrentando questes de pesquisa fundamental, muito longe do desenvolvimento dos processos de fabricao de circuitos integrados com esses novos materiais.

A equipe coreana deixou tudo isso para trs, mostrando que possvel ir abaixo do nanmetro usando tcnicas de fabricao padro da indstria.

Imagem de microscopia do circuito integrado baseado em portas de limite duplo espelhado 1D (esquerda), um esquema do transstor ultraminiaturizado e dispositivos inversores que constituem o circuito (centro), e a avaliao de desempenho desses dispositivos (direita).
[Imagem: Institute for Basic Science]

Limite duplo espelhado

O grau de integrao alcanado nos circuitos integrados determinado pela largura e pela eficincia de controle do eletrodo de porta, que controla o fluxo de eltrons no transstor. Nos processos convencionais de fabricao de semicondutores, impossvel reduzir o comprimento da porta abaixo de alguns nanmetros devido s limitaes da resoluo da litografia.

Para resolver este problema tcnico, a equipe tirou proveito do fato de que a molibdenita, ou dissulfeto de molibdnio (MoS₂), que um semicondutor 2D, tem uma caracterstica fundamental, conhecido como MTB, ou limite duplo espelhado, que representada por um nanofio metlico 1D, com largura de apenas 0,4 nm. Esse nanofio foi ento usado como um eletrodo de porta, superando as limitaes do processo de litografia.

O MTB (limite duplo espelhado) de um semicondutor um conceito fundamental na fsica, definido como a energia mnima necessria para excitar um eltron do topo da banda de valncia, levando-o para a banda de conduo, a regio de energia onde os eltrons podem se mover livremente e contribuir para a condutividade eltrica.

E o processo desenvolvido pela equipe no se limitou miniaturizao de componentes individuais, sendo usado para construir circuitos eletrnicos altamente integrados e de grandes reas.

Processo de crescimento dos transistores 2D e micrografia dos circuitos integrados compostos por eles.
[Imagem: Heonsu Ahn et al. – 10.1038/s41565-024-01706-1]

Alm do futurstico

O avano mais significativo do que se imagina. Por exemplo, o Roteiro Internacional para Dispositivos e Sistemas (IRDS), do instituto norte-americano IEEE, prev que a tecnologia de semicondutores atingir o patamar de 0,5 nm at 2037, com transistores com 12 nm de comprimentos de porta.

O que a equipe coreana demonstrou agora que a largura do canal modulada pelo campo eltrico aplicado a partir da porta 1D pode ser to pequena quanto 3,9 nm, excedendo significativamente a previso futurista daquele Roteiro.

O transstor baseado em MTB 1D tambm oferece vantagens no desempenho do circuito: Tecnologias como FinFET ou GAAFET, adotadas para a miniaturizao dos componentes semicondutores de silcio, sofrem de capacitncia parasita devido s estruturas complexas que os transistores precisam assumir, gerando instabilidade em circuitos altamente integrados. Por sua vez, o transstor com porta 1D na verdade minimiza a capacitncia parasita, devido sua estrutura simples e por ser extremamente estreito.

Alm disso, a obteno da fase metlica 1D por meio do controle da estrutura cristalina do semicondutor 2D em nvel atmico, representa um avano significativo no apenas para a tecnologia de semicondutores de prxima gerao, mas tambm para a cincia bsica dos materiais, demonstrando a sntese em grande rea de novas fases de materiais atravs do controle artificial de suas estruturas cristalinas.

“A fase metlica 1D obtida atravs do crescimento epitaxial um novo processo de material que pode ser aplicado a processos semicondutores ultraminiaturizados. A expectativa que ela se torne uma tecnologia chave para o desenvolvimento de vrios componentes eletrnicos de baixo consumo e alto desempenho no futuro, disse o professor Jo Moon-Ho.

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