El descubrimiento de materiales atómicamente finos como el grafeno y los nanotubos de carbono trazó la posibilidad de sustituir las necesidades de fabricación por las propiedades naturales de materiales como el grafeno y los nanotubos de carbono. Ahora no hace falta grabar una característica de un nanómetro en el silicio si en reemplazo se puede utilizar un nanotubo de carbono de un nanómetro de ancho.
Últimamente ha habido un avance considerable en algunos casos como una puerta de circuito integrado hecha de un solo nanotubo de carbono. Sin embargo, suele ser un proceso complicado Ya que es difícil colocar los materiales atómicamente finos en el lugar correcto para crear un dispositivo funcional. Lo restante del hardware usualmente está hecho de materiales abultados que se toman prestados del diseño de transistores más tradicional.
Sin embargo, un nuevo artículo publicado esta semana describe un diseño que ha batido el récord de longitud de la puerta de un transistor, el más pequeño hasta ahora. El récord lo ha establecido el borde de una lámina de grafeno, lo que significa que la puerta sólo tiene un átomo de carbono. Y, al utilizar un segundo material atómicamente delgado para un componente clave (además de una formación inteligente de las piezas), el equipo que está detrás del diseño aseguró de que todo el transistor sea fácil de fabricar y relativamente compacto.
¡Ahora tamaño atómico!
El diseño estándar de un transistor consiste en dos electrodos conductores -la fuente y el drenaje- separados por un trozo de semiconductor. El estado del semiconductor, es decir, si es conductor o aislante, se establece mediante un tercer electrodo conductor llamado puerta. Aunque hay varias medidas para el tamaño del transistor, la longitud de la puerta es una de las más importantes.
El silicio (SI) es probablemente el semiconductor más famoso, pero también hay semiconductores atómicamente finos. El más destacado de estos materiales es el disulfuro de molibdeno. Aunque no es tan fino como un solo átomo debido a la disposición de sus enlaces químicos, el disulfuro de molibdeno (MoS2) sigue siendo increíblemente compacto. Los investigadores utilizaron el disulfuro de molibdeno como material semiconductor porque tiene propiedades útiles, está bien caracterizado y es fácil de trabajar. Los electrodos de origen y drenaje eran simplemente tiras de metal que entraban en contacto con el disulfuro de molibdeno (MoS2).
Todos estos materiales ya se han utilizado en innumerables dispositivos de prueba. El secreto del nuevo trabajo es cómo están organizados. Parte de esta disposición es necesaria simplemente para conseguir que el borde de una hoja de grafeno tenga la orientación correcta para actuar como puerta. Pero una ventaja importante del diseño es que es razonablemente fácil de hacer, ya que no requiere una colocación extremadamente precisa de ninguno de los materiales atómicamente finos.
Inteligencia geométrica
Para fabricar el dispositivo, los investigadores comenzaron con capas de silicio y dióxido de silicio. El silicio (SI) era puramente estructural: no hay silicio en el transistor. Sobre el silicio y el dióxido de silicio se colocó una lámina de grafeno para crear el material de la puerta. Encima, los investigadores colocaron una capa de aluminio. Aunque el aluminio es un conductor, los investigadores lo dejaron reposar en el aire durante unos días, durante los cuales la superficie se oxidó hasta convertirse en óxido de aluminio. Así, la superficie inferior de la hoja de grafeno estaba sobre dióxido de silicio, y la superior estaba cubierta por óxido de aluminio, ambos aislantes. Esto aisló todo, excepto el borde del grafeno, del resto del hardware del transistor.
Para exponer el borde del grafeno de forma útil, los investigadores simplemente grabaron a lo largo del borde del aluminio, hasta el dióxido de silicio subyacente. De este modo se cortaba la lámina de grafeno, dejando al descubierto un borde lineal que puede utilizarse como puerta. En este punto, todo el dispositivo está cubierto por una fina capa de óxido de hafnio, un aislante que proporciona un poco de espacio entre la puerta y el resto del hardware.
A continuación, se colocó una lámina del semiconductor de disulfuro de molibdeno sobre toda la estructura (ahora tridimensional). De este modo, el borde del grafeno (ahora incrustado en la pared de la parte vertical del dispositivo) estaba muy cerca del disulfuro de molibdeno (MoS2). El borde del grafeno podía actuar ahora como una puerta para controlar la conductividad del semiconductor. Y la longitud de la puerta era el grosor de la hoja de grafeno: un solo átomo de carbono, es decir: 0,34 nanómetros.
A partir de allí, el equipo sólo tuvo que colocar los electrodos de origen y drenaje a ambos lados de la puerta. La organización tridimensional lo facilitó. La fuente se colocó en la parte superior y el drenaje en la inferior, con la pared vertical en medio. (Los investigadores llaman a su dispositivo transistor de pared lateral, ya que la puerta está situada en el centro de esa pared).
No es sólo un diseño
Aunque muchas de las propiedades del dispositivo se han calculado mediante el modelado, los investigadores han construido claramente docenas de transistores. Algunos de ellos se sacrificaron para obtener imágenes y para confirmar que los materiales estaban todos en los lugares esperados según el proceso de fabricación. Pero otros se utilizaron para demostrar que el hardware sí funcionaba como un transistor, aunque requería un voltaje razonablemente alto para hacerlo. También tenía una fuga lo suficientemente baja como para funcionar en operaciones de baja potencia.
Los investigadores sugirieron varias formas de mejorar el transistor, por supuesto. Pero el rendimiento de estos primeros dispositivos de demostración queda un poco al margen de la cuestión, más allá del hecho de que fuera funcional.
Lo realmente importante aquí es que los investigadores descubrieron una forma de aprovechar realmente la dimensión más pequeña de un material atómicamente delgado como parte de un transistor funcional. Y lo hicieron sin necesidad de un posicionamiento especialmente exacto al añadir el grafeno y el sulfuro de molibdeno al dispositivo. Esto se debe, en parte, a que la parte del grafeno que requería un posicionamiento exacto -el borde- se creó mediante grabado. Y el disulfuro de molibdeno (MoS2) sólo tenía que situarse lo suficientemente bien como para cubrir la puerta y extenderse hasta el lugar en el que se podían conectar la fuente y el drenaje.
La facilidad de colocación está muy lejos de lo que se necesita para fabricar miles de millones de dispositivos basados en esta estructura. Pero, sin duda, es un paso necesario para conseguirlo.
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