Un solo cristal 2D se convierte en transistor, en el laboratorio

Durante más de dos décadas, los investigadores han esperado que los semiconductores de espesor atómico puedan reemplazar al silicio a medida que los dispositivos se reducen. El obstáculo rara vez fue el semiconductor en sí. Lo fue todo lo que lo rodea. En el Instituto de Ciencias Básicas (IBS), un equipo dirigido por Jo Moon-Ho, director del Centro de Sólidos Cuánticos de Van der Waals, ha construido ahora un transistor a partir de un único cristal en capas, convirtiendo capas seleccionadas en el aislante y los contactos que necesita el dispositivo. El trabajo se publica en la revista Science.

Un transistor necesita tres materiales diferentes: un semiconductor que transporte la corriente, una capa aislante que la controle y contactos metálicos por donde la corriente entra y sale. La superficie de un semiconductor 2D ofrece pocos puntos donde otros materiales puedan adherirse, así que un aislante uniforme es difícil de depositar, y depositar metal directamente puede dañar la capa fina o crear barreras que reducen el rendimiento. Despegar y apilar materiales 2D separados, uno a uno, funciona en el laboratorio, pero es difícil de escalar a grandes superficies.

El equipo del IBS utilizó el propio cristal como único material de partida. Partieron del diseleniuro de wolframio (WSe₂), cuyo comportamiento eléctrico cambia cuando se reemplazan algunos de los átomos alrededor de la capa de wolframio. Las capas superiores se oxidaron hasta formar un óxido de wolframio aislante, situado directamente sobre el canal y que actúa como dieléctrico de puerta, con un espesor efectivo inferior a 1 nanómetro. Otras zonas se convirtieron en ditelururo de wolframio (WTe₂), un semimetal utilizado para los contactos, mientras que las zonas no convertidas conservaron sus propiedades semiconductoras. La reacción puede detenerse tras un número elegido de capas, a razón de unos 0,7 nanómetros por monocapa de WSe₂.

En los dispositivos de prueba, un cambio de solo 61,3 milivoltios en la tensión de puerta aumentó la corriente diez veces, cerca del límite teórico a temperatura ambiente de unos 60 milivoltios por década, y la relación de corriente encendido/apagado superó los 10 millones. Los contactos de WTe₂ redujeron la barrera de inyección de carga a aproximadamente un tercio de la barrera observada con contactos directos de platino. El equipo también construyó transistores de MoS₂ de tipo n usando el mismo óxido, y luego apiló transistores de tipo p y de tipo n para formar un inversor complementario, el bloque básico de la lógica digital, y demostró que la tensión se invirtió como se esperaba.

Para los diseñadores de chips, la promesa es una vía hacia lo que Jo denomina dispositivos semiconductores de ultrabajo consumo, ultraescalados e integrados verticalmente. El primer beneficio recaería en los investigadores de la electrónica 2D, porque el método evita el paso de despegar y apilar, que el equipo describe como poco adecuado para la producción en masa. El estudio no ofrece calendario, proceso de producción ni prueba a gran superficie. Sus resultados proceden de dispositivos individuales fabricados en laboratorio, y convertirlos en circuitos fabricados sigue siendo una etapa aparte.