Un equipo de investigadores de la Universidad de Tsinghua en Beijing, China, ha producido el transistor más pequeño del mundo. El artículo de investigación, publicado en Nature, describe cómo el nuevo diseño del transistor aprovecha una lámina de grafeno del grosor de un átomo como puerta del transistor, lo que permite una longitud de puerta récord de 0,34 nm. El equipo espera que su investigación, y los transistores de pared lateral resultantes, como llamaron al resultado, proporcionen una salida a las noticias tan publicitadas que rodean la muerte de la Ley de Moore.
Los transistores son las unidades fundamentales del diseño de semiconductores y requieren tres componentes básicos para funcionar: una fuente (donde la corriente eléctrica ingresa al transistor); un drenaje (el punto donde esa misma corriente eléctrica sale del transistor); y una puerta, que controla si la corriente eléctrica realiza o no ese viaje en particular. Sin embargo, un transistor en sí mismo es tan simple que en realidad no es capaz de realizar ningún trabajo útil. Para hacer esto, los transistores se empaquetan en circuitos integrados; un cierto número y disposición de transistores (en escalas de miles de millones) da como resultado un núcleo de CPU, mientras que otro da como resultado un banco de caché SRAM o una GPU.
De ello se deduce que una forma de aumentar el rendimiento y la complejidad de la carga de trabajo disponible es meter más y más transistores en el mismo espacio. Otra sería aumentar la funcionalidad de cada transistor. Todas las mejoras en la fabricación de semiconductores se reducen a lo mismo: más transistores, por complejos que sean, por pulgada cuadrada. Y aquí es donde se canalizan millones de dólares de investigación cada año: buscando formas de hacer transistores más pequeños para que se puedan empaquetar más en la misma área. Eso en sí mismo es bastante simple; sin embargo, existen beneficios adicionales para los transistores más pequeños, dado que la corriente eléctrica tiene que soportar un viaje más corto desde la fuente del transistor hacia su drenaje, permanece en los recursos del transistor por períodos de tiempo más cortos, al tiempo que mejora la eficiencia energética, las temperaturas y la frecuencia de operación mientras reduce fuga.
Pero, ¿cómo obtuvieron los investigadores una longitud de puerta tan pequeña? Aprovechando que las láminas de grafeno, compuestas por átomos de grafeno dispuestos en un plano 2D, tienen el mismo grosor que el átomo de grafeno. Así se logró la longitud de puerta de 0,34 nm: corresponde a la altura de la hoja de grafeno.
El diseño clásico del transistor también se modificó para adaptarse a esta puerta radicalmente nueva (de la cual los investigadores construyeron prototipos funcionales). Imagina dos edificios adyacentes con diferentes alturas. En el diseño de transistores, estos edificios están hechos de capas de silicio y dióxido de silicio (aislantes, lo que significa que no transportan corriente eléctrica). La capa de grafeno, de un átomo de espesor, se aplica en la parte superior del edificio más alto. Pero dado que el grafeno es eléctricamente conductor (razón por la cual lo estamos usando en primer lugar), debe estar aislado en ambos lados; por lo tanto, los investigadores aplicaron otra capa de material aislante: óxido de aluminio.
Esto deja los mismos bordes de la capa de grafeno (nuestro edificio) como los únicos elementos no aislados, lo que le da a la puerta un espesor atómico. Y dado que los «edificios» de silicio están a diferentes alturas, ahora podemos aplicar una capa de disulfuro de molibdeno semiconductor sobre ambos ya lo largo de la pared lateral (de ahí el nombre) del edificio más alto. Es a través de esta capa que la corriente eléctrica fluirá a través del transistor. Pero recuerde que la capa de grafeno de un átomo de espesor está haciendo contacto con el camino eléctrico de disulfuro de molibdeno, lo que le permite actuar como una puerta, permitiendo (o deteniendo) el flujo de corriente.
Finalmente, se coloca una fuente en el edificio más alto (silicio) para que la corriente eléctrica entre por la vía del bisulfuro de molibdeno; y un drenaje, por donde sale la corriente eléctrica del transistor, se coloca encima del otro. Es decir, si la puerta (la capa de grafeno) le permite llegar a su destino. Ahora tenemos un transistor de trabajo.
De manera crucial, los investigadores dicen que estos nuevos transistores son fáciles de fabricar con la tecnología implementada actualmente y que el cambio en la estructura aún resultó en unidades compactas. De hecho, deberían resultar menos complejos de producir que al menos algunos otros diseños de transistores que se están explorando actualmente, ya que colocar las capas de grafeno y disulfuro de molibdeno es una tarea de precisión relativamente baja (en comparación con el grabado y otras técnicas de fabricación de semiconductores).
Siempre debemos tener en cuenta que no todas las investigaciones prometedoras se convierten en un producto que funciona, y aquellas que lo hacen (incluido este nuevo diseño de transistor) tardarán años en llegar a nosotros. Aun así, es importante tener un camino claro por delante, o al menos lleno de opciones, que no tener ninguna opción. Esto es especialmente cierto dado el ritmo al que se está desarrollando el mercado mundial de semiconductores. Esto, combinado con los crecientes requisitos computacionales de la informática general, IA, Big Data, Web3, blockchain y todos los demás productos tecnológicos, requerirá ganancias de eficiencia extremas. Tener un transistor tan pequeño como un átomo ciertamente parece adecuado para el propósito.
