Traducción y transcripción del artículo publicado en "SingularityHub"
No ha habido mayor acto de magia en la tecnología que el
juego de manos realizado por la
Ley de Moore . Los componentes electrónicos que una vez cabían en
la palma de su mano se volvieron atómicos hace mucho tiempo, desapareciendo de
nuestro mundo para instalarse en el reino cuántico.
Pero ahora estamos rozando los amargos límites de esta
tendencia. En un artículo publicado
en Nature esta semana, los científicos de la Universidad de
Tsinghua en Shanghai escribieron que habían construido una puerta de transistor
de grafeno con una longitud de 0,34 nanómetros (nm), o aproximadamente del
tamaño de un solo átomo de carbono.
La puerta, un componente de chip que enciende y apaga los
transistores, es una medida crítica del tamaño del
transistor. Investigaciones anteriores ya habían llevado las longitudes de
puerta a un
nanómetro o menos . Al
reducir las longitudes de las puertas al tamaño de átomos individuales, el último
trabajo establece una nueva marca que será difícil de superar. "En el
futuro, será casi imposible para las personas hacer una longitud de puerta
inferior a 0,34 nm", dijo a IEEE
Spectrum el autor principal del artículo, Tian-Ling Ren
. "Este podría ser el último nodo de la Ley de Moore".
Grabado de un sándwich 2D
Los transistores tienen algunos componentes centrales: la
fuente, el drenaje, el canal y la puerta. La corriente eléctrica fluye
desde la fuente, a través del canal, pasa la compuerta y llega al
drenaje. La puerta enciende o apaga esta corriente dependiendo del voltaje
que se le aplique.
Los avances recientes en la miniaturización extrema de
puertas de transistores se basan en algunos materiales fascinantes. En
2016, por ejemplo, los investigadores
utilizaron nanotubos de carbono , que son láminas de carbono de un
solo átomo de espesor enrolladas en cilindros, y un material 2D llamado
disulfuro de molibdeno para lograr una longitud de puerta de un
nanómetro. El silicio es un mejor semiconductor, ya que las corrientes
eléctricas encuentran más resistencia en el disulfuro de molibdeno, pero cuando
las longitudes de las puertas caen por debajo de los cinco nanómetros, los
electrones se filtran a través de las puertas en los transistores de silicio. La
resistencia natural del disulfuro de molibdeno evita esta fuga en las escalas
más pequeñas.
Sobre la base de este trabajo anterior, los investigadores
en el estudio más reciente también eligieron disulfuro de molibdeno para su
material de canal y una puerta a base de carbono. Pero en lugar de
nanotubos de carbono, que tienen un nanómetro de diámetro, buscaron ser más
pequeños. Desenrolla un nanotubo y obtienes una lámina hecha de átomos de
carbono llamada grafeno. El grafeno tiene todo tipo de propiedades
interesantes, una de las cuales es una excelente conductividad. El ancho y
el largo de una hoja de grafeno son, por supuesto, más grandes que un nanotubo,
pero el borde tiene un solo átomo de carbono de espesor. El equipo explotó
inteligentemente esta propiedad.
Primero colocaron una capa de silicio para la estructura
base. Luego, utilizando un método de producción de grafeno llamado
deposición química de vapor, colocaron una lámina de grafeno sobre el dióxido
de silicio y una capa de óxido de aluminio sobre el grafeno. El óxido de
aluminio y el dióxido de silicio que intercalan el grafeno actúan como
aislantes, cortando efectivamente sus propiedades eléctricas del resto del
transistor. Luego grabaron en los materiales intercalados para crear un
escalón, con la misma forma que las escaleras de su casa, y en el proceso,
expusieron el borde de la lámina de grafeno en la pared vertical del escalón,
creando así una puerta atómicamente delgada. Llaman a esta construcción un
"transistor de pared lateral".
Finalmente, sobre el escalón, el equipo colocó una capa de
óxido de hafnio, para agregar un pequeño espacio entre la puerta y el canal, y
una capa de disulfuro de molibdeno para formar el canal. Luego agregaron
dos electrodos de metal, uno en el escalón superior y otro en la parte
inferior, como fuente y drenaje.
Un transistor de pared lateral con una puerta de grafeno. Crédito de la imagen: Wu, F., Tian, H., Shen, Y. et al. Transistores MoS2 verticales con longitudes de puerta inferiores a 1 nm. Naturaleza 603, 259–264 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04323-3
Críticamente, la nueva técnica no requiere que los
investigadores coloquen con precisión el grafeno para que la puerta
funcione. Este es uno de los grandes desafíos del uso de nanotubos de
carbono: no es tarea fácil lograr que se asienten exactamente donde se
necesitan.
Más Moore
Para ser claros, el trabajo es una prueba de concepto: los
investigadores no han escalado significativamente el enfoque. Fabricar un
puñado de transistores no es lo mismo que fabricar miles de millones en un chip
y fabricar sin problemas miles de millones de esos chips para usar en
computadoras portátiles y teléfonos inteligentes. Ren también señala que
los materiales 2D, como el bisulfuro de molibdeno, siguen siendo costosos y que
fabricar materiales de alta calidad a escala es un desafío.
Es más probable que las nuevas tecnologías, como los
transistores de silicio integrales , lleguen a su computadora portátil
o teléfono en los próximos años. Además, vale la pena señalar que el
resultado de la Ley de Moore (que las computadoras seguirán
haciéndose más poderosas y más baratas a un ritmo exponencial) también
puede ser impulsado por ajustes de software o cambios en la
arquitectura, como usar la tercera dimensión para apilar componentes encima de
uno. otro.
Aún así, la investigación explora y define mejor el borde
amargo de la miniaturización, tal vez estableciendo un límite inferior que no
se romperá durante años. También demuestra una forma inteligente de explotar
las propiedades más deseables de los materiales 2D en chips. Y si se
refina aún más, el enfoque, que no se basa en el posicionamiento exacto de los
componentes y se apoya en tecnologías de fabricación de chips ya comunes,
parece tener cierto potencial para escalar.
Independientemente, reducir el tamaño de los componentes
electrónicos de pulgadas a átomos en un período relativamente corto de décadas
sigue siendo uno de los trucos más ingeniosos de la ciencia y la tecnología.
Crédito de la imagen: Yulissa
Tagle / Unsplash
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