Transistor semicondutor composto minúsculo pode desafiar o domínio do silício | Emerald Insight

Um minúsculo transistor semicondutor composto pode desafiar o domínio do silício.

Tipo de artigo: Notícias do setor De: Microelectronics International, Volume 30, Edição 2

Pesquisadores do MIT desenvolvem o menor transistor de arseneto de índio e gálio já construído.

A coroa do silício está ameaçada: os dias do semicondutor como rei dos microchips para computadores e dispositivos inteligentes podem estar contados, graças ao desenvolvimento do menor transistor já construído com um material rival, o arseneto de índio e gálio.

O transistor composto, construído por uma equipe dos Laboratórios de Tecnologia de Microssistemas do MIT, apresenta bom desempenho apesar de ter apenas 22 nm (bilionésimos de metro) de comprimento. Isso o torna um candidato promissor para eventualmente substituir o silício em dispositivos de computação, afirma o co-desenvolvedor Jesús del Alamo, professor titular da Cátedra Donner de Ciências no Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação (EECS) do MIT, que construiu o transistor com o estudante de pós-graduação do EECS, Jianqian Lin, e Dimitri Antoniadis, professor titular da Cátedra Ray e Maria Stata de Engenharia Elétrica.

Para acompanhar nossa demanda por dispositivos de computação cada vez mais rápidos e inteligentes, o tamanho dos transistores está diminuindo continuamente, permitindo que um número crescente deles seja comprimido em microchips. "Quanto mais transistores você puder colocar em um chip, mais poderoso ele será e mais funções ele poderá executar", diz del Alamo.

Mas, à medida que os transistores de silício são reduzidos à escala nanométrica, a quantidade de corrente que pode ser produzida pelos dispositivos também está diminuindo, limitando sua velocidade de operação. Isso levou a temores de que a Lei de Moore – a previsão do fundador da Intel, Gordon Moore, de que o número de transistores em microchips dobraria a cada dois anos – possa estar prestes a chegar ao fim, diz del Alamo.

Para manter a Lei de Moore em vigor, pesquisadores vêm investigando há algum tempo alternativas ao silício, que poderiam potencialmente produzir uma corrente maior mesmo operando em escalas menores. Um desses materiais é o composto arseneto de índio e gálio, já utilizado em tecnologias de comunicação por fibra óptica e radar, e conhecido por suas excelentes propriedades elétricas, afirma del Alamo. Mas, apesar dos recentes avanços no tratamento do material para permitir sua formação em transistores de maneira semelhante ao silício, ninguém ainda conseguiu produzir dispositivos pequenos o suficiente para serem integrados em números cada vez maiores nos microchips do futuro.

Agora, del Alamo, Antoniadis e Lin demonstraram que é possível construir um transistor de efeito de campo semicondutor de óxido metálico (MOSFET) em escala nanométrica – o tipo mais comumente usado em aplicações lógicas, como microprocessadores – utilizando esse material. “Mostramos que é possível fabricar MOSFETs de arseneto de índio e gálio extremamente pequenos com excelentes características lógicas, o que promete levar a Lei de Moore além do alcance do silício”, afirma del Alamo.

Os transistores são compostos por três eletrodos: o gate, o source e o drain, sendo que o gate controla o fluxo de elétrons entre os outros dois. Como o espaço nesses minúsculos transistores é extremamente limitado, os três eletrodos precisam ser posicionados muito próximos uns dos outros, um nível de precisão impossível de alcançar mesmo com ferramentas sofisticadas. Em vez disso, a equipe permite que o gate se "autoalinhe" entre os outros dois eletrodos.

Os pesquisadores primeiro cultivam uma fina camada do material usando epitaxia por feixe molecular, um processo amplamente utilizado na indústria de semicondutores, no qual átomos evaporados de índio, gálio e arsênio reagem entre si no vácuo para formar um composto monocristalino. A equipe então deposita uma camada de molibdênio como metal de contato para a fonte e o dreno. Em seguida, eles "desenham" um padrão extremamente fino sobre esse substrato usando um feixe focalizado de elétrons – outra técnica de fabricação bem estabelecida conhecida como litografia por feixe de elétrons.

Em seguida, as áreas indesejadas do material são removidas por corrosão e o óxido de porta é depositado na pequena fenda. Finalmente, o molibdênio evaporado é sinterizado na superfície, onde forma a porta, firmemente comprimida entre os outros dois eletrodos, explica del Alamo. "Por meio de uma combinação de corrosão e deposição, conseguimos que a porta fique encaixada [entre os eletrodos] com minúsculas fendas ao seu redor", afirma.

Embora muitas das técnicas aplicadas pela equipe já sejam usadas na fabricação de silício, elas raramente foram utilizadas para produzir transistores semicondutores compostos. Isso ocorre em parte porque, em aplicações como comunicação por fibra óptica, o espaço é menos problemático. "Mas quando falamos em integrar bilhões de minúsculos transistores em um chip, precisamos reformular completamente a tecnologia de fabricação de transistores semicondutores compostos para que se assemelhe muito mais à dos transistores de silício", afirma del Alamo.

O próximo passo será trabalhar no aprimoramento do desempenho elétrico — e, consequentemente, da velocidade — do transistor, eliminando a resistência indesejada dentro do dispositivo. Uma vez alcançado esse objetivo, eles tentarão miniaturizar ainda mais o dispositivo, com o objetivo final de reduzir o tamanho do transistor para menos de 10 nm de comprimento de porta.

A pesquisa foi financiada pela DARPA e pela Semiconductor Research Corporation.