Investigadores demuestran transistores de MoS₂ que superan límites del silicio

La miniaturización de componentes electrónicos ha sido un pilar fundamental para el avance de la computación, siguiendo la trayectoria descrita por la Ley de Moore. Sin embargo, la reducción de los transistores de silicio a escalas de pocos nanómetros ha comenzado a enfrentar barreras impuestas por la física fundamental. A estas dimensiones, los transistores de silicio experimentan dificultades para mantener el control sobre la corriente, lo que conduce a fugas y un mayor consumo energético en estado de reposo.

En este contexto, investigadores de la Universidad Carnegie Mellon, como informa Hackster.io, han desarrollado y demostrado transistores utilizando disulfuro de molibdeno (MoS₂). Este material, un semiconductor bidimensional, permite la creación de canales con un grosor de una sola capa atómica. Los dispositivos construidos por el equipo exhibieron longitudes de canal físico por debajo de los 5 nanómetros, superando los límites teóricos de rendimiento de conmutación que se observan en transistores de silicio de tamaño similar.

El MoS₂ presenta propiedades útiles para estas dimensiones, como una masa efectiva relativamente alta y una banda prohibida de aproximadamente 1.8 eV. Estas características contribuyen a suprimir el efecto de túnel fuente-drenador, un problema que se agudiza en el silicio por debajo de los 5 nanómetros. No obstante, el reemplazo del silicio por MoS₂ no fue la única modificación. Los investigadores también rediseñaron la arquitectura del transistor en torno al nuevo material.

Una de las innovaciones clave fue la incorporación de un espacio de aire bajo el canal de MoS₂. Esta disposición minimiza el acoplamiento capacitivo indeseado entre la fuente, el drenador y el canal, lo que optimiza el control de la puerta sobre el transistor. Además, la puerta fue diseñada para solaparse con las regiones de contacto de MoS₂, aprovechando la baja densidad de estados del material para influir en la densidad de portadores tanto en el canal como en dichas regiones.

Estos avances en el diseño permitieron alcanzar una oscilación subumbral de 88 mV/dec para transistores con una longitud de canal físico de aproximadamente 4.8 nanómetros, y una relación de corriente on/off superior a un millón. El equipo logró fabricar matrices de estos dispositivos en una oblea de 4 pulgadas mediante un proceso de alto rendimiento basado en fotolitografía, y las pruebas realizadas en 138 dispositivos arrojaron una mediana de oscilación subumbral de 92 mV/dec, lo que sugiere la reproducibilidad de los resultados a escala.

A pesar de estos prometedores hallazgos, el material señala que aún quedan desafíos por resolver antes de que el MoS₂ pueda sustituir al silicio en las unidades centrales de procesamiento. Entre ellos, se menciona la necesidad de mejorar el rendimiento en estado "encendido" y la existencia actual de un voltaje umbral negativo, que no es ideal para circuitos lógicos de bajo consumo. No obstante, este trabajo demuestra una vía potencial para el escalado continuo de transistores más allá de los límites actuales del silicio.