Os transistores de silício, usados para amplificar e comutar sinais, são uma parte importante de muitos dispositivos eletrônicos, de smartphones a carros. Mas a tecnologia de semicondutores de silício é prejudicada por uma limitação fundamental que impede os transistores de operar abaixo de uma determinada tensão.
Esta limitação, conhecida como “tirania de Boltzmann”, prejudica a eficiência energética dos computadores e outros dispositivos eletrónicos, especialmente com o rápido desenvolvimento de tecnologias de inteligência artificial que requerem computação rápida.
Em um esforço para superar essa limitação fundamental do silício, os pesquisadores do MIT criaram um tipo diferente de transistor tridimensional usando um conjunto exclusivo de materiais semicondutores ultrafinos.
Seus dispositivos, com nanofios verticais de apenas alguns nanômetros de diâmetro, podem oferecer desempenho comparável aos transistores de silício de última geração, enquanto operam em tensões muito mais baixas do que os dispositivos convencionais.
“Esta é uma tecnologia que tem potencial para substituir o silício, então você pode usá-la com todas as funções que o silício tem atualmente, mas com melhor eficiência energética”, disse Yanjie Shao, pós-doutorado do MIT e autor principal do novo artigo. transistores.
Os transistores expandem as propriedades das máquinas quânticas para alcançar simultaneamente operação em baixa tensão e alta eficiência em uma área de alguns nanômetros quadrados. Seu tamanho extremamente pequeno pode permitir que alguns desses transistores 3D sejam empacotados em um chip de computador, resultando em componentes eletrônicos mais rápidos, mais potentes e também mais eficientes em termos energéticos.
“Com a física normal, você só pode ir até certo ponto. O trabalho de Yanjie mostra que podemos fazer melhor do que isso, mas temos que usar uma física diferente. Há muitos desafios que precisam ser superados para que este método seja comercializado no futuro, mas, teoricamente, é um verdadeiro sucesso”, disse o autor principal Jesús del Alamo, Professor Donner de Engenharia no Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação do MIT. (CEES).
Eles foram coautores no artigo de 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. O estudo aparece hoje em Eletrônica Ambiental.
Silício transitório
Em dispositivos eletrônicos, os transistores de silício costumam atuar como interruptores. A aplicação de uma tensão ao transistor faz com que os elétrons se movam através da 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 indica a nitidez da transição de “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 no campo de energia, o regime de Boltzmann requer uma tensão mínima para ligar o transístor à temperatura ambiente.
Para superar a limitação física 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 usar um fenômeno único em máquinas quânticas chamado tunelamento quântico.
O tunelamento quântico é a capacidade dos elétrons de entrar em barreiras. Os pesquisadores estão desenvolvendo transistores de túnel, que usam essa estrutura para estimular os elétrons a passarem através de uma barreira de energia, em vez de atravessá-la.
“Agora você pode ligar e desligar o dispositivo facilmente”, disse Shao.
Mas embora os transistores de túnel possam alimentar encostas íngremes, eles operam com baixa potência, o que afeta o desempenho da fonte de alimentação. É necessária alta precisão para criar interruptores de transistor poderosos para aplicações exigentes.
Fino acabamento
Usando ferramentas do MIT.nano, centro de excelência do MIT para pesquisa em nanoescala, os engenheiros conseguiram controlar com precisão a geometria 3D de seus transistores, criando heteroestruturas verticais de nanofios com diâmetro de apenas 6 nanômetros. Eles acreditam que estes são os menores transistores 3D relatados até agora.
Essa engenharia precisa permitiu-lhes alcançar simultaneamente uma inclinação acentuada e alta resistência. Isso é possível devido a um fenômeno chamado confinamento quântico.
O confinamento quântico ocorre quando um elétron fica confinado em um espaço tão pequeno que não consegue se mover. Quando isso acontece, a massa efetiva do elétron e as propriedades do material mudam, permitindo uma atração mais forte do elétron através da barreira.
Como os transistores são tão pequenos, os pesquisadores podem criar um forte efeito de confinamento quântico enquanto criam uma barreira muito pequena.
“Temos muita flexibilidade no projeto dessas heteroestruturas para que possamos alcançar uma barreira de túnel muito pequena, o que nos permite atingir uma potência muito alta”, disse Shao.
Aperfeiçoar máquinas pequenas o suficiente para realizar isso foi um grande desafio.
“Estamos na escala de um nanômetro com este projeto. Existem muito poucos grupos no mundo que podem fabricar bons transistores nessa faixa. “Yanjie é incrivelmente capaz de fabricar transistores de alto desempenho muito pequenos”, disse del Alamo.
Quando os pesquisadores testaram seus dispositivos, a nitidez da inclinação de comutação estava abaixo do limite básico que pode ser alcançado com transistores de silício convencionais. Seus dispositivos também tiveram desempenho cerca de 20 vezes melhor que transistores semelhantes.
“Esta é a primeira vez que conseguimos alcançar um aumento tão acentuado desta forma”, acrescentou Shao.
Os pesquisadores agora estão se esforçando para melhorar seus métodos de fabricação para tornar os transistores mais uniformes em todo o chip. Com dispositivos tão pequenos, mesmo uma diferença de 1 nanômetro pode alterar o comportamento dos elétrons e afetar o desempenho do dispositivo. Eles também estão explorando estruturas verticais em forma de barbatana, além de transistores verticais de nanofios, que podem melhorar a uniformidade dos dispositivos em um chip.
“Este trabalho está indo na direção certa, melhorando muito o desempenho do transistor de túnel quebrado (TFET). Ele mostra a inclinação e registra a corrente de acionamento. Ele destaca a importância do tamanho pequeno, do confinamento extremo e dos materiais e conectividade com baixos defeitos em um TFET com lacuna quebrada. Essas características foram realizadas em um processo bem controlado e de tamanho nanométrico”, disse Aryan Afzalian, chefe da equipe técnica da organização de pesquisa em nanoeletrônica imec, que não esteve envolvido no projeto.
Esta pesquisa foi financiada, em parte, pela Intel Corporation.
