Um único cristal 2D torna-se transístor em laboratório

For more than two decades, researchers have hoped that atomically thin semiconductors could take over from silicon as devices shrink. The obstacle was rarely the semiconductor itself. It was everything around it. At the Institute for Basic Science (IBS), a team led by Jo Moon-Ho, director of the Center for Van der Waals Quantum Solids, has now built a transistor starting from a single layered crystal, converting selected layers into the insulator and contacts the device needs. The work is published in the journal Science.

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.

A transistor needs three different materials: a semiconductor to carry current, an insulating layer to control it, and metal contacts through which current enters and leaves. The surface of a 2D semiconductor offers few sites where other materials can attach, so a uniform insulator is hard to deposit, and depositing metal directly can damage the thin layer or create barriers that reduce performance. Peeling and stacking separate 2D materials one by one works in the lab but is hard to scale over large areas.

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.

The IBS team used the crystal itself as the only starting material. They began with tungsten diselenide (WSe₂), whose electrical behavior changes when some of the atoms around the tungsten layer are replaced. The upper layers were oxidized into an insulating tungsten oxide, which sits directly above the channel and serves as the gate dielectric, with an effective thickness below 1 nanometer. Other regions were converted into tungsten ditelluride (WTe₂), a semimetal used for the contacts, while unconverted regions kept their semiconducting properties. The reaction can be stopped after a chosen number of layers, at roughly 0.7 nanometer per WSe₂ monolayer.

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.

In the test devices, a change of only 61.3 millivolts in gate voltage increased the current tenfold, close to the theoretical room-temperature limit of about 60 millivolts per decade, and the on/off current ratio exceeded 10 million. The WTe₂ contacts reduced the barrier for charge injection to about one-third of the barrier seen with direct platinum contacts. The team also built n-type MoS₂ transistors using the same oxide, then stacked p-type and n-type transistors into a complementary inverter, the basic building block of digital logic, and showed that the voltage inverted as expected.

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.

For chip designers, the promise is a route to what Jo calls ultralow-power, ultrascaled and vertically integrated semiconductor devices. The first gain would fall to researchers working on 2D electronics, because the method avoids the peeling and stacking step that the team describes as poorly suited to mass production. The study gives no timeline, no production process and no large-area test. Its results come from individual devices built in the lab, and turning them into manufactured circuits remains a separate step.

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.