Transistores sub-5nm llegan a obleas de cuatro pulgadas

Todo procesador está construido con transistores, diminutos interruptores eléctricos, y los chips han mejorado durante décadas haciendo más pequeños esos interruptores. Un equipo dirigido por Carnegie Mellon University ha fabricado ahora transistores a partir de una sola capa atómica de disulfuro de molibdeno (MoS₂), con canales de menos de 5 nanómetros, y ha aplicado el proceso sobre una oblea de cuatro pulgadas (Nature Communications). El resultado, publicado en una revista científica revisada por pares, combina una miniaturización extrema con el método de patronaje que emplean las fábricas de chips.

En el trabajo también participaron University of Florida, MIT, Texas A&M, University of Southern California y la Universidad Politécnica de Madrid (Semiconductor Engineering).

Mantener el control en la puerta

La corriente de un transistor fluye desde un terminal, la fuente, hasta otro, el drenador, a través de una franja de material llamada canal. Un tercer electrodo, la puerta, controla ese flujo elevando o reduciendo una barrera energética. Puede imaginarse como una colina que los electrones deben superar: si la colina sube, el interruptor se apaga; si baja, circula la corriente.

Cuando el canal se hace suficientemente corto, la fuente y el drenador quedan tan cerca que sus propios campos eléctricos empiezan a aplanar la colina. La puerta deja de tener el control exclusivo y la corriente se filtra cuando el interruptor debería estar apagado, como un grifo que nunca termina de cerrarse.

El enfoque del equipo se basa en el reducido grosor. En un canal de una sola capa de átomos, el campo eléctrico de la puerta actúa sobre todo el canal a la vez, de modo que ninguna parte del material queda fuera de su alcance (Nature Communications).

¿Hasta qué punto es preciso el interruptor?

Los ingenieros miden la precisión de un interruptor mediante una magnitud llamada pendiente subumbral. Esta indica cuánto debe aumentar la tensión de puerta para multiplicar por diez la corriente mientras el dispositivo se enciende. Cuanto menor es el valor, más preciso es el interruptor y, en principio, menor puede ser la tensión de funcionamiento (Nature Communications). Este estudio no demostró un circuito de baja tensión.

En los dispositivos analizados, los autores registran una pendiente de 88 milivoltios por década y una corriente en estado «encendido» más de un millón de veces superior a la corriente en estado «apagado» (Nature Communications). El resumen no aclara si 88 es el mejor valor, el valor habitual o la mediana. El dato decisivo es la relación entre los estados de encendido y apagado. Un dispositivo tan pequeño que solo condujera electricidad sería simplemente un cable; estos transistores siguen funcionando como interruptores.

El título del artículo describe un rendimiento «más allá del límite del silicio». Esa expresión no significa que los dispositivos hayan superado el suelo térmico de unos 60 milivoltios por década que limita a los transistores convencionales a temperatura ambiente (review). Con 88, se mantienen por encima de ese umbral. La comparación con el silicio es el marco utilizado por los propios autores.

De los dispositivos récord a una oblea

Experimentos anteriores ya habían llevado los transistores de MoS₂ a dimensiones extraordinarias, con canales de menos de 10 nm (Nano Letters) y un electrodo de puerta de aproximadamente un nanómetro de longitud (Science). El nuevo trabajo añade a esa miniaturización un método propio de la fabricación industrial. El equipo empleó fotolitografía, que dibuja los patrones del circuito proyectando luz a través de una máscara parecida a una plantilla sobre un recubrimiento fotosensible. Es la misma técnica básica en la que se apoyan las fábricas de chips.

Los autores describen el proceso como compatible con la fabricación CMOS, el flujo de producción en el que se basa prácticamente toda la electrónica digital. Según su descripción, las distintas etapas están diseñadas para integrarse con el procesamiento convencional del silicio. El proceso se aplicó sobre una oblea de unos 100 mm de diámetro (Nature Communications), un detalle que también recoge Semiconductor Engineering en su resumen del artículo (Semiconductor Engineering).

Se trata de una demostración de fabricación a escala de oblea. Para hablar de una tecnología lista para producir en serie harían falta datos sobre el rendimiento de fabricación y la variación entre dispositivos, que el resumen publicado no ofrece, y la información accesible tampoco demuestra que los transistores se conectaran para formar circuitos. Otro estudio, realizado sobre obleas mayores de 300 mm y con dispositivos de MoS₂ y WS₂ más largos, muestra qué implica la siguiente etapa. Alcanzó un rendimiento aproximado del 95-99%, pero siguió detectando una elevada resistencia de contacto, la pérdida eléctrica que se produce donde el cableado metálico se une a la capa de grosor atómico, además de variaciones entre unas obleas y otras (300-mm study).

Este trabajo revisado por pares demuestra que los canales de MoS₂ de menos de 5 nanómetros y la litografía a escala de oblea pueden coexistir en un mismo proceso (Nature Communications). El rendimiento de fabricación y la variación entre dispositivos determinarán si ese proceso puede convertirse en una plataforma industrial.