Miniaturização extrema: Transistores podem chegar a 1 nanômetro

Redação do Site Inovação Tecnológica - 07/06/2022

O pulo do gato para se aproximar das dimensões atômicas ainda usando o silício está na orientação dos cristais semicondutores e isolantes.
[Imagem: Ye-Fei Li et al. - 10.1103/PhysRevLett.128.226102]

Miniaturização extrema

Você se lembra quando os especialistas diziam ser impossível fazer transistores menores do que 10 nanômetros porque isso iria contra os limites impostos pela física?

Isso foi há pouco mais de 10 anos, mas hoje já temos transistores na faixa dos 7 nanômetros em escala comercial e menores do que isso em escala de laboratório.

E, ao que parece, esse caminho rumo à miniaturização irá muito mais longe do que se acreditava.

Ye-Fei Li e Zhi-Pan Liu, da Universidade de Fudan, na China, acabam de traçar o roteiro para a construção de transistores de 1 nanômetro.

"Enquanto a redução de escala no tamanho dos transistores de efeito de campo é altamente desejável para a eficiência computacional, o tunelamento quântico na interface Si/SiO₂ torna-se a principal preocupação ao se aproximar da escala nanométrica," explicaram eles.

Existem várias propostas para fazer transistores de 1 nanômetro e menores, mas geralmente envolvendo estruturas monoatômicas ou eletrônica molecular. Esta é a primeira vez que se traça um roteiro para isso com as técnicas de microeletrônica baseadas em silício usadas hoje.

Arquitetura do transístor de silício de 1 nanômetro proposto pela dupla.
[Imagem: Ye-Fei Li et al. - 10.1103/PhysRevLett.128.226102]

Transístor de 1 nanômetro

Os dois pesquisadores usaram uma técnica de aprendizado de máquina para simular milhares dos chamados transistores de efeito de campo, ou FET (Field-Effect Transistor). Esses componentes, presentes em tudo o que é eletrônico hoje, combinam uma camada semicondutora, geralmente silício (Si), com uma camada isolante, geralmente dióxido de silício (SiO₂), para modular o fluxo de corrente.

A novidade é que Li e Liu usaram uma combinação diferente de orientações da rede cristalográfica para o Si e para o SiO2, para tentar descobrir qual dessas orientações dos cristais apresentaria o melhor desempenho em escalas nanométricas de um dígito.

Das 2.497 estruturas de rede simuladas, a dupla descobriu que apenas 40 contêm um padrão que se repete a cada nanômetro. Dessas 40, apenas 10 são estáveis - sua estrutura interfacial tem uma energia semelhante à sua estrutura volumétrica, o que é um requisito essencial para um transístor robusto.

Por fim, eles descobriram que a orientação dos dois materiais um em relação ao outro é a chave para a operação eficaz de um transístor, o que reduziu as opções para duas: Si(210)-SiO₂(102) e Si(211)-SiO₂(112).

Os números entre parênteses referem-se ao sistema de coordenadas dos átomos dentro de um cristal, nomeando os planos cristalinos - por exemplo, em um cristal cúbico, 100 é uma face, 110 são as diagonais das faces e 111 é a diagonal do cubo.

Agora é "só" fabricar

"Ao desenvolver um método de pesquisa global baseado em aprendizado de máquina, agora revelamos todas as estruturas de interface Si/SiO₂ prováveis dentre milhares de candidatos. Duas interfaces com alto índice de Miller, Si(210) e (211), com uma periodicidade de apenas 1nm, possuem boa mobilidade de portadoras, baixo aprisionamento de portadoras e baixa energia interfacial. Os resultados fornecem a base para a fabricação de superfícies de Si escalonadas para transistores de próxima geração," concluiu a dupla.

Ou seja, é possível fabricar transistores eletrônicos tradicionais na faixa de 1 nanômetro. Agora a bola passa para os engenheiros, que precisarão viabilizar as tecnologias de processo para transformar essa possibilidade em realidade.

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