Transistores de efecto de campo ferroeléctricos reconfigurables con canales de nanotubos de carbono de pared simple

El rápido desarrollo de internet y de la inteligencia artificial ha acelerado la generación de datos imponiendo una mayor demanda en su procesamiento. Para procesarlos de manera eficiente se requiere reducir la dimensión de los dispositivos y el voltaje de operación y, con ello, el consumo de energía. 

Sin embargo, con la tecnología actual de transistores de efecto de campo (FET) como los transistores complementarios metal-oxido-semiconductor (CMOS) de silicio, lograr estas mejoras se ha vuelto difícil debido a limitaciones físicas: cuando los transistores se hacen demasiado pequeños aparecen problemas de control eléctrico. En particular, la reducción del tamaño se dificulta por efectos ligados a la corta longitud del canal, mientras que bajar el voltaje por debajo de 1 V está restringido por el límite de Boltzmann, que depende de la relación constante entre el potencial de interacción y el recorrido libre medio de los transportadores de carga.

Ante estas limitaciones, una alternativa prometedora son los transistores reconfigurables, capaces de cambiar su funcionamiento después de fabricados. Un caso especial son los transistores FeFET reconfigurables, que pueden funcionar como transistores de tipo p o de tipo n según se necesite.

Un equipo de investigación de Corea, EE.UU. y China desarrolló este tipo de dispositivos usando nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT) altamente alineados como canales semiconductores y un material ferroeléctrico innovador (nitruro de aluminio-escandio). Estos dispositivos presentan características ambipolares de los portadores con corrientes del estado de encendido (ON, del inglés) altas y bien equilibradas (de ~270 μA μm−1 a un voltaje de drenador de 3 V) y razón encendido/apagado (ON/OFF, del inglés) superiores a 105, aunado con amplias ventanas de memoria y excelente capacidad de retención. Además poseen capacidad de memoria ternaria (pueden guardar -1, 0 o +1 en lugar de solo 0 y 1). Esto significa que se pueden construir circuitos más compactos y eficientes que los basados en silicio convencional.

Mayor información en: Nature Communications

Crecimiento homo epitaxial a gran escala de MoS2 en un apilamiento romboédrico

 

Los materiales bidimensionales (2D) poseen propiedades únicas que los hacen adecuados para su implementación en diferentes dispositivos tecnológicos. Manipular y modificar el apilamiento entre capas es una forma de modular sus propiedades. 

Los dicalcogenuros de metales de transición (TMD por sus siglas del inglés transition metal dicalcogenides) bidimensionales son importantes candidatos para la reducción de tamaño de los transistores. Estos materiales suelen estar apilados en un ordenamiento conocido como 2H, conformado por dos monocapas con rotación de 180°. Inducir un apilamiento artificial distinto (por ejemplo, el apilamiento romboédrico conocido como 3R en el que tres monocapas están desplazadas, sin rotación) les confiere propiedades exóticas como la ferroelectricidad, superconductividad, entre otras. Sin embargo, inducir este tipo de apilamientos no es tarea fácil, debido a la alta estabilidad termodinámica de los apilamientos 2H.

Científicos de universidades chinas han logrado obtener disulfuro de molibdeno (MoS2) en apilamiento 3R a gran escala (del orden de cm). Mediante la técnica de depósito por descomposición química de vapores (CVD por sus siglas del inglés chemical vapor deposition) depositaron una monocapa de MoS2 sobre un sustrato de zafiro. Una vez depositada la primera monocapa, el proceso de nucleación de la siguiente resulta crucial para lograr el apilamiento deseado, ya que, una vez formada, no es posible rotarla. 

Este estudio propone, mediante cálculos DFT, que los defectos conocidos como antisitios (Mos) promueven el apilamiento 3R sobre el 2H. Experimentalmente se demostró la presencia de este tipo de defectos en las muestras con apilamiento 3R, mientras que no se observó en las muestras con apilamiento 2H, corroborando el mecanismo de crecimiento. Las muestras obtenidas demostraron poseen ferroelectricidad mediante la técnica de microscopia de piezofuerza (PFM del inglés piezoresponse force microscopy).

Dado que el MoS2-3R es un semiconductor con características ferroeléctricas, se propone para la fabricación de transistores de efecto de campo con compuerta de semiconductor ferroeléctrico (FeS-FETs por sus siglas del inglés ferroelectric semiconductor field effect transistors). Además, debido a la ventaja que representa obtener muestras de buena calidad y gran tamaño, se asegura la reproducibilidad de los dispositivos. 

Más información en: nature materials