Um único cristal 2D torna-se transístor em laboratório

Durante mais de duas décadas, os investigadores esperaram que os semicondutores de espessura atómica pudessem substituir o silício à medida que os dispositivos encolhem. O obstáculo raramente foi o próprio semicondutor. Foi tudo o que o rodeia. No Instituto de Ciências Básicas (IBS), uma equipa liderada por Jo Moon-Ho, diretor do Centro de Sólidos Quânticos de Van der Waals, construiu agora um transístor a partir de um único cristal em camadas, convertendo algumas camadas no isolante e nos contactos de que o dispositivo precisa. O trabalho foi publicado na revista Science.

Um transístor precisa de três materiais diferentes: um semicondutor para conduzir a corrente, uma camada isolante para a controlar e contactos metálicos por onde a corrente entra e sai. A superfície de um semicondutor 2D oferece poucos pontos onde outros materiais possam fixar-se, por isso é difícil depositar um isolante uniforme, e depositar metal diretamente pode danificar a camada fina ou criar barreiras que reduzem o desempenho. Separar e empilhar materiais 2D um a um funciona em laboratório, mas é difícil de escalar em grandes áreas.

A equipa do IBS usou o próprio cristal como único material de partida. Começou com disseleneto de tungténio (WSe₂), cujo comportamento elétrico muda quando alguns dos átomos em redor da camada de tungténio são substituídos. As camadas superiores foram oxidadas num óxido de tungténio isolante, que fica diretamente por cima do canal e funciona como dielétrico de porta, com uma espessura efetiva inferior a 1 nanómetro. Outras zonas foram convertidas em ditelureto de tungténio (WTe₂), um semimetal usado nos contactos, enquanto as zonas não convertidas mantiveram as suas propriedades semicondutoras. A reação pode ser interrompida após um número escolhido de camadas, a cerca de 0,7 nanómetros por monocamada de WSe₂.

Nos dispositivos de teste, uma variação de apenas 61,3 milivolts na tensão de porta fez a corrente aumentar dez vezes, perto do limite teórico à temperatura ambiente de cerca de 60 milivolts por década, e a razão entre corrente de ligação e de desligação ultrapassou 10 milhões. Os contactos de WTe₂ reduziram a barreira à injeção de carga para cerca de um terço da barreira observada com contactos diretos de platina. A equipa construiu também transístores MoS₂ do tipo n usando o mesmo óxido e, depois, empilhou transístores do tipo p e do tipo n num inversor complementar, o bloco de base da lógica digital, e mostrou que a tensão se inverteu como esperado.

Para os projetistas de chips, a promessa é um caminho para o que Jo chama dispositivos semicondutores de potência ultrabaixa, ultraescalados e integrados verticalmente. O primeiro ganho recairia sobre os investigadores da eletrónica 2D, porque o método dispensa a etapa de separar e empilhar, que a equipa descreve como pouco adequada à produção em massa. O estudo não indica calendário, nem processo de produção, nem ensaio em grande área. Os resultados provêm de dispositivos individuais construídos em laboratório, e transformá-los em circuitos fabricados continua a ser uma etapa distinta.