Pesquisadores do MIT e da Universidade do Colorado fabricaram um transistor 3-D com menos da metade do tamanho dos menores modelos comerciais de hoje. Para fazer isso, eles desenvolveram uma nova técnica de microfabricação que modifica o material semicondutor átomo por átomo.

A inspiração por trás do trabalho foi acompanhar a Lei de Moore, uma observação feita na década de 1960 de que o número de transistores em um circuito integrado dobra a cada dois anos. Para aderir a esta "regra de ouro" da eletrônica, os pesquisadores estão constantemente encontrando maneiras de enfiar o maior número possível de transistores nos microchips. A tendência mais recente são os transistores 3-D que ficam verticalmente, como barbatanas, e medem cerca de 7 nanômetros de diâmetro - dezenas de milhares de vezes mais finos do que um fio de cabelo humano. Dezenas de bilhões desses transistores podem caber em um único microchip, que tem quase o tamanho de uma unha.

Conforme descrito em um documento apresentado no IEEE International Electron Devices Meeting, os pesquisadores modificaram uma técnica de gravação química recentemente inventada, chamado de corrosão de nível atômico térmico (ALE térmico), para permitir a modificação de precisão de materiais semicondutores no nível atômico. Usando essa técnica, os pesquisadores fabricaram transistores 3-D que são tão estreitos quanto 2,5 nanômetros e mais eficientes do que seus equivalentes comerciais.

Métodos de gravação em nível atômico semelhantes existem hoje, mas a nova técnica é mais precisa e produz transistores de qualidade superior. Além disso, ele reaproveita uma ferramenta de microfabricação comum usada para depositar camadas atômicas em materiais, o que significa que pode ser integrado rapidamente. Isso poderia habilitar chips de computador com muito mais transistores e melhor desempenho, dizem os pesquisadores.

"Acreditamos que este trabalho terá um grande impacto no mundo real, "diz o primeiro autor Wenjie Lu, um estudante de pós-graduação nos Laboratórios de Tecnologia de Microsistemas (MTL) do MIT. "À medida que a Lei de Moore continua a reduzir os tamanhos dos transistores, é mais difícil fabricar tais dispositivos em nanoescala. Para projetar transistores menores, precisamos ser capazes de manipular os materiais com precisão de nível atômico. "

Juntando-se a Lu no papel estão:Jesus A. del Alamo, um professor de engenharia elétrica e ciência da computação e um pesquisador da MTL que lidera o Grupo de Transistores Xtreme; Lisa Kong '18, recém-formada no MIT; Pós-doutorado do MIT Alon Vardi; e Jessica Murdzek, Jonas Gertsch, e o professor Steven George, da Universidade do Colorado.

Átomo por átomo

A microfabricação envolve deposição (filme crescente em um substrato) e corrosão (padrões de gravação na superfície). Para formar transistores, a superfície do substrato é exposta à luz por meio de fotomáscaras com o formato e a estrutura do transistor. Todo o material exposto à luz pode ser removido com produtos químicos, enquanto o material escondido atrás da fotomáscara permanece.

As técnicas de última geração para microfabricação são conhecidas como deposição de camada atômica (ALD) e gravação de camada atômica (ALE). Em ALD, dois produtos químicos são depositados na superfície do substrato e reagem um com o outro em um reator a vácuo para formar um filme da espessura desejada, uma camada atômica de cada vez.

As técnicas tradicionais de ALE usam plasma com íons altamente energéticos que retiram átomos individuais da superfície do material. Mas isso causa danos superficiais. Esses métodos também expõem o material ao ar, onde a oxidação causa defeitos adicionais que prejudicam o desempenho.

Em 2016, a equipe da Universidade do Colorado inventou a ALE térmica, uma técnica que se assemelha muito a ALD e depende de uma reação química chamada "troca de ligante". Nesse processo, um íon em um composto chamado ligante - que se liga a átomos de metal - é substituído por um ligante em um composto diferente. Quando os produtos químicos são eliminados, a reação faz com que os ligantes de substituição retirem átomos individuais da superfície. Ainda em sua infância, ALE térmica tem, até aqui, só foi usado para gravar óxidos.

Neste novo trabalho, os pesquisadores modificaram ALE térmico para funcionar em um material semicondutor, usando o mesmo reator reservado para ALD. Eles usaram um material semicondutor ligado, chamado arseneto de índio-gálio (ou InGaAs), que está cada vez mais sendo elogiado como um sistema mais rápido, alternativa mais eficiente ao silício.

Os pesquisadores expuseram o material a fluoreto de hidrogênio, o composto usado para o trabalho ALE térmico original, que forma uma camada atômica de fluoreto de metal na superfície. Então, eles derramaram em um composto orgânico chamado cloreto de dimetilalumínio (DMAC). O processo de troca de ligante ocorre na camada de fluoreto de metal. Quando o DMAC é removido, átomos individuais seguem.

A técnica é repetida em centenas de ciclos. Em um reator separado, os pesquisadores então depositaram o "portão, "o elemento metálico que controla os transistores para ligar ou desligar.

Em experimentos, os pesquisadores removeram apenas 0,02 nanômetros da superfície do material por vez. "Você está meio que descascando uma cebola, camada por camada, "Diz o Lu." Em cada ciclo, podemos gravar apenas 2 por cento de um nanômetro de um material. Isso nos dá altíssima precisão e controle cuidadoso do processo. "

Como a técnica é tão semelhante ao ALD, "você pode integrar esta ALE térmica no mesmo reator onde você trabalha na deposição, "diz del Alamo. Requer apenas um" pequeno redesenho da ferramenta de deposição para lidar com novos gases para fazer a deposição imediatamente após o ataque. … Isso é muito atraente para a indústria. "

Mais fino, melhores "barbatanas"

Usando a técnica, os pesquisadores fabricaram FinFETs, Transistores 3-D usados ​​em muitos dos dispositivos eletrônicos comerciais atuais. FinFETs consistem em uma "barbatana" fina de silício, estar verticalmente em um substrato. O portão é essencialmente enrolado em torno da barbatana. Por causa de sua forma vertical, de 7 a 30 bilhões de FinFETs podem ser espremidos em um chip. A partir deste ano, Maçã, Qualcomm, e outras empresas de tecnologia começaram a usar FinFETs de 7 nanômetros.

A maioria dos FinFETs dos pesquisadores mediu menos de 5 nanômetros de largura - um limite desejado em toda a indústria - e cerca de 220 nanômetros de altura. Além disso, a técnica limita a exposição do material a defeitos causados ​​por oxigênio que tornam os transistores menos eficientes.

O dispositivo teve um desempenho cerca de 60 por cento melhor do que os FinFETs tradicionais em "transcondutância, "relatam os pesquisadores. Os transistores convertem uma pequena entrada de tensão em uma corrente fornecida pela porta que liga ou desliga o transistor para processar os 1s (ligado) e 0s (desligado) que impulsionam a computação. A transcondutância mede quanta energia é necessária para converter essa tensão.

Limitar defeitos também leva a um maior contraste liga-desliga, dizem os pesquisadores. Idealmente, você quer alta corrente fluindo quando os transistores estão ligados, para lidar com computação pesada, e quase nenhuma corrente fluindo quando eles estão desligados, para economizar energia. "Esse contraste é essencial para fazer comutadores lógicos eficientes e microprocessadores muito eficientes, "del Alamo diz." Até agora, temos a melhor proporção [entre FinFETs]. "

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.