Pesquisadores repensam o transistor em um nível material

Os transistores estão atingindo seus limites físicos em tamanho e velocidade. Como os transistores são feitos menores, a distância entre a fonte e o dreno diminui, levando a altas correntes de fuga. E como o tamanho do transistor se aproxima do nível atômico, é difícil controlar o fluxo de corrente, levando a uma maior probabilidade de erros de computação.

Transistores menores significam velocidades de comutação mais lentas, o que é especialmente problemático em aplicações mais recentes, como inteligência artificial, onde grandes conjuntos de dados precisam ser processados. A integração mais densa também se torna um desafio devido aos problemas de empilhamento e gerenciamento térmico.

Este artigo discute desenvolvimentos de pesquisas recentes que ampliam os limites das tecnologias de transistores existentes e como elas podem superar os dispositivos atuais.

Os transistores atuais são volumosos e não podem ser facilmente empilhados verticalmente para alta densidade. Para tal integração, os transistores devem ser feitos de materiais 2D ultrafinos, que têm apenas alguns átomos de espessura. No entanto, cultivar materiais 2D em um wafer de silício é um desafio porque geralmente requer uma temperatura de cerca de 600°C – e os circuitos podem suportar apenas até 400°C.

Para resolver esses problemas, os pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) desenvolveram um processo de baixa temperatura para cultivar materiais 2D no chip sem danificá-los. O novo processo reduz o tempo necessário para criar os materiais 2D e cria uma camada uniforme sobre toda a superfície. Como resultado, o novo processo pode ser usado para superfícies maiores do que os processos convencionais.

Os pesquisadores do MIT se concentraram no dissulfeto de molibdênio, um material transparente e flexível com propriedades eletrônicas e fotônicas, para demonstrar e validar seu novo processo. Seu processo é colocado em um forno com duas câmaras: uma região de baixa temperatura na frente e uma região de alta temperatura na parte de trás. A bolacha é colocada na frente para que permaneça intacta. Precursores vaporizados de molibdênio e enxofre são bombeados para dentro do forno. O molibdênio fica na frente e o precursor de enxofre flui na região de alta temperatura para se decompor. Após a decomposição, ele flui de volta para a câmara de baixa temperatura, onde o dissulfeto de molibdênio cresce.

Os pesquisadores colocaram o wafer verticalmente na câmara frontal para que nenhuma das bordas ficasse muito próxima da região de alta temperatura. Eles também depositaram uma fina camada de material de passivação no topo do chip para evitar a sulfurização de metais como alumínio e cobre, comumente usados ​​em circuitos de silício para conectar um pacote ou suporte. A camada de passivação é posteriormente removida para fazer as conexões. Os pesquisadores planejam aperfeiçoar sua técnica e explorar a aplicação desse processo para superfícies flexíveis como polímeros, têxteis e papéis.

Pesquisadores do Forschungszentrum Jülich exploraram materiais com propriedades eletrônicas mais favoráveis ​​do que o silício para circuitos de melhor desempenho. Eles recentemente fabricaram uma liga de germânio-estanho que tem muitos benefícios sobre os transistores de silício convencionais.

O germânio exibe maior mobilidade eletrônica do que o silício. Os pesquisadores adicionaram átomos de estanho à rede de germânio para otimizar ainda mais as propriedades eletrônicas do material. A mobilidade eletrônica da nova liga é 2,5 vezes maior do que os transistores de germânio puro e é compatível com o atual processo de fabricação de CMOS.

Os novos transistores funcionam em temperaturas abaixo de 12 Kelvin – uma melhoria importante para os transistores existentes que precisam de alta voltagem para chavear em temperaturas abaixo de 50 Kelvin, consumindo mais energia. Os cientistas afirmam que, com mais melhorias, sua liga pode até permitir que os transistores operem em temperaturas inferiores a 12 Kelvin. A equipe acredita que sua tecnologia é um candidato promissor para chips de próxima geração, baixo consumo de energia e alto desempenho e possivelmente para o futuro dos computadores quânticos.

Pesquisadores da Linköping University e do KTH Royal Institute of Technology criaram um transistor com madeira. Eles usaram madeira de balsa, uma madeira sem grãos e estruturada uniformemente, para essa aplicação. Eles removeram a lignina, deixando apenas fibras de celulose com canais, que foram preenchidos com um polímero condutor chamado PEDOT:PSS.