Transistores de silício, que são usados para amplificar e alternar sinais, são um componente crítico na maioria dos dispositivos eletrônicos, de smartphones a automóveis. Mas a tecnologia de semicondutores de silício é retida por um limite físico fundamental que impede que os transistores operem abaixo de uma certa voltagem.
Esse limite, conhecido como "tirania de Boltzmann", prejudica a eficiência energética de computadores e outros aparelhos eletrônicos, especialmente com o rápido desenvolvimento de tecnologias de inteligência artificial que exigem computação mais rápida.
Superando o Silício
Em um esforço para superar esse limite fundamental do silício, pesquisadores do MIT fabricaram um tipo diferente de transistor tridimensional usando um conjunto exclusivo de materiais semicondutores ultrafinos. A pesquisa aparece na Nature Electronics.
Seus dispositivos, com nanofios verticais de apenas alguns nanômetros de largura, podem oferecer desempenho comparável ao dos transistores de silício de última geração, ao mesmo tempo em que operam de forma eficiente em tensões muito mais baixas do que os dispositivos convencionais.
"Essa é uma tecnologia com potencial para substituir o silício, então você pode usá-la com todas as funções que o silício tem atualmente, mas com muito mais eficiência energética", diz Yanjie Shao, pós-doutorado do MIT e principal autor de um artigo sobre os novos transistores.
Os transistores alavancam propriedades mecânicas quânticas para atingir simultaneamente operação de baixa voltagem e alto desempenho dentro de 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 eletrônicos rápidos e poderosos que também são mais eficientes em termos de energia.
"Com a física convencional, 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. Ainda há muitos desafios a serem superados para que essa abordagem seja comercial no futuro, mas conceitualmente, é realmente um avanço", diz o autor sênior Jesús del Alamo, o Professor Donner de Engenharia no Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação (EECS) do MIT.
Tunelamento Quântico
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.
Tunelamento quântico é a habilidade dos elétrons de penetrar barreiras. Os pesquisadores fabricaram transistores de tunelamento, que alavancam essa propriedade para encorajar os elétrons a atravessar a barreira de energia em vez de passar por cima dela.
"Agora, você pode ligar e desligar o dispositivo com muita facilidade", diz Shao.
Mas enquanto transistores de tunelamento podem permitir inclinações de comutação acentuadas, eles normalmente operam com baixa corrente, o que prejudica o desempenho de um dispositivo eletrônico. Corrente mais alta é necessária para criar interruptores de transistor poderosos para aplicações exigentes.
Fabricação de Grão Fino
Usando ferramentas no MIT.nano, a instalação de última geração do MIT para pesquisa em nanoescala, os engenheiros conseguiram controlar cuidadosamente a geometria 3D de seus transistores, criando heteroestruturas de nanofios verticais com um diâmetro de apenas 6 nanômetros. Eles acreditam que esses são os menores transistores 3D relatados até o momento.
Essa engenharia precisa permitiu que eles alcançassem uma inclinação de comutação acentuada e alta corrente simultaneamente. Isso é possível por causa de um fenômeno chamado confinamento quântico.
O confinamento quântico ocorre quando um elétron é confinado em um espaço tão pequeno que ele 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.
"Temos muita flexibilidade para projetar essas heteroestruturas de materiais para que possamos alcançar uma barreira de tunelamento muito fina, o que nos permite obter correntes muito altas", diz Shao.
Fabricar dispositivos pequenos o suficiente para fazer isso foi um grande desafio.
"Estamos realmente interessados em dimensões de nanômetro único com este trabalho. Pouquíssimos grupos no mundo conseguem fazer bons transistores nessa faixa. Yanjie é extraordinariamente capaz de criar transistores tão funcionais que são extremamente pequenos", diz del Alamo.
Resultados Promissores
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 um desempenho cerca de 20 vezes melhor do que transistores de tunelamento semelhantes.
"Esta é a primeira vez que conseguimos atingir uma inclinação de mudança 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, até mesmo uma variação de 1 nanômetro pode mudar o comportamento dos elétrons e afetar a operação do dispositivo.
Eles também estão explorando estruturas verticais em forma de aletas, além de transistores de nanofios verticais, o que poderia potencialmente melhorar a uniformidade dos dispositivos em um chip.
Com esses avanços, a tecnologia de transistores de silício pode estar prestes a dar um grande salto em direção a uma maior eficiência energética e desempenho, superando os limites fundamentais que a restringiram por décadas.
