Transistores de última generación para los semiconductores del futuro

Los transistores que pueden cambiar sus propiedades son elementos importantes en el desarrollo de semiconductores del mañana. A medida que los transistores estándar se acercan al límite de lo pequeños que pueden ser, tener más funciones en la misma cantidad de unidades se vuelve cada vez más importante para permitir el desarrollo de circuitos pequeños y energéticamente eficientes para una mejor memoria y computadoras más poderosas. Investigadores de la Universidad de Lund en Suecia han demostrado cómo crear nuevos transistores configurables y llevar el control a un nivel nuevo y más preciso.

Debido a la demanda cada vez mayor de dispositivos mejores, más potentes y eficientes, existe un gran interés en los transistores reconfigurables. Su ventaja es que, a diferencia de los semiconductores estándar, es posible cambiar las propiedades del transistor después de su fabricación.

En el pasado, la potencia de procesamiento y el rendimiento de las computadoras se mejoraban al reducir el tamaño del transistor de silicio (también conocido como Ley de Moore). Pero ahora se ha alcanzado una etapa en la que los costos de un mayor desarrollo en esta dirección se han vuelto mucho más altos y han surgido problemas de mecánica cuántica que han ralentizado el desarrollo.

En cambio, continúa la búsqueda de nuevos materiales, componentes y circuitos. La Universidad de Lund es uno de los líderes mundiales en el campo de los materiales III-V, que son una alternativa al silicio. Se trata de materiales con un gran potencial en el desarrollo de tecnologías de alta frecuencia (por ejemplo, piezas para futuras redes 6G y 7G), aplicaciones ópticas y componentes electrónicos cada vez más eficientes energéticamente.

Para realizar este potencial, se utilizan materiales ferroeléctricos. Estos son materiales especiales que pueden cambiar su polaridad interna bajo la influencia de un campo eléctrico. Se puede comparar con un imán ordinario, pero en lugar de los polos norte y sur magnéticos, se forman polos eléctricos con cargas positivas y negativas a cada lado del material. Puede controlar el transistor cambiando la polaridad. Otra ventaja es que el material “recuerda” su polaridad incluso cuando se corta la corriente.

Con una nueva combinación de materiales, los científicos han creado “granos” ferroeléctricos que controlan la unión del túnel, un efecto de puente eléctrico, en un transistor. Esto sucede en una escala muy pequeña: el grano tiene un tamaño de 10 nanómetros. Al medir las fluctuaciones en el voltaje o la corriente, fue posible determinar cuándo cambió la polaridad en los granos individuales y, por lo tanto, comprender cómo esto afectó el comportamiento del transistor.

El estudio, publicado recientemente en comunicación de la naturaleza Y Progreso de la cienciainvestigó nueva memoria ferroeléctrica en forma de transistores de barrera de túnel para crear nuevas arquitecturas de circuitos.

“El objetivo es crear circuitos neuromórficos, es decir, circuitos listos para la inteligencia artificial, cuya estructura es similar al cerebro humano con sus sinapsis y neuronas”, dice Anton Eriksson, quien recientemente recibió su doctorado en nanoelectrónica.

Lo que es único acerca de los nuevos resultados es que ha sido posible crear conexiones de túnel utilizando granos ferroeléctricos que se ubican directamente en el cruce. Estos nanogranos se pueden controlar a nivel individual, donde antes solo era posible rastrear grupos completos de granos, llamados ensamblajes. De esta manera, es posible identificar y controlar partes individuales del material.

“Para desarrollar aplicaciones avanzadas, primero debe comprender la dinámica de los granos individuales hasta el nivel atómico, así como los defectos existentes. Una mejor comprensión del material se puede utilizar para optimizar las características. Al controlar estos granos ferroeléctricos, se pueden crear nuevos semiconductores donde se pueden cambiar las propiedades. Al variar el voltaje, se pueden producir diferentes funciones en un mismo componente”, dice Lars-Erik Wernersson, profesor de nanoelectrónica.

Los investigadores también investigaron cómo este conocimiento podría usarse para crear varias aplicaciones reconfigurables mediante la manipulación de la señal que pasa a través del transistor de varias maneras. Por ejemplo, podría usarse en nuevas celdas de memoria o en transistores más eficientes energéticamente.

Este nuevo tipo de transistor se llama ferro-TFET y se puede utilizar tanto en circuitos digitales como analógicos.

“Curiosamente, la señal de entrada se puede modular de varias maneras, por ejemplo, cambiando la fase del transistor, duplicando la frecuencia, mezclando la señal. El transistor recuerda sus propiedades incluso cuando se apaga la corriente, por lo que no es necesario reiniciarlo cada vez que se usa el circuito”, dice Zhongyunshen Zho, estudiante de doctorado en nanoelectrónica.

Otra ventaja de estos transistores es que pueden operar a bajo voltaje. Esto los hace energéticamente eficientes, lo que será necesario, por ejemplo, en las comunicaciones inalámbricas del mañana, el Internet de las cosas y la computación cuántica.

“Considero que este es un estudio pionero de importancia internacional. Es bueno que estemos a la vanguardia de los semiconductores en Lund y Suecia, especialmente a la luz de la Ley de chips de la UE recientemente aprobada, cuyo objetivo es fortalecer la posición de Europa en los semiconductores”, dice Lars-Erik Wernersson.