La colaboración entre TSMC y un equipo de la Universidad Nacional Yang Ming Chiao Tung de Taiwán ha marcado un nuevo hito en la carrera por miniaturizar los transistores más allá de los límites tradicionales del silicio. Juntos, han desarrollado una técnica novedosa empleando disulfuro de molibdeno (MoS₂) de una sola capa atómica, un material emergente que promete revolucionar la fabricación de semiconductores al permitir la creación de transistores a una escala significativamente menor.
El avance logrado por este equipo, aunque aún en fase experimental, ha superado uno de los principales obstáculos técnicos para utilizar semiconductores bidimensionales en futuros chips, aunque todavía se encuentra lejos de convertirse en un proceso comercial de menos de un nanómetro. A través de la implementación de una capa intermedia de óxido de aluminio de solo 0,42 nanómetros, los investigadores lograron facilitar la posterior integración de un dieléctrico de óxido de hafnio, minimizando así la dispersión de electrones.
El silicio, material predominante en la industria durante décadas, parece estar alcanzando su límite de miniaturización a medida que se avanza hacia dimensiones que desafían las propiedades semiconductoras convencionales. En esta línea, los transistores han evolucionado del FinFET a los innovadores Gate-All-Around FET (GAAFET), pero el desafio sigue latente cuando se intenta hacer el canal aún más delgado sin comprometer control ni eficiencia.
Este es precisamente el espacio que los materiales bidimensionales, como el MoS₂, podrían ocupar. Con su capacidad para formar capas de apenas 0,7 nanómetros de grosor manteniendo intactas sus propiedades semiconductoras, MoS₂ se perfila como un fuerte candidato para las próximas generaciones de transistores.
Una parte fundamental del avance logrado reside en la creación de una innovadora interfaz de puerta que empieza con una fina capa de aluminio epitaxial sobre MoS₂, que luego se oxida para formar óxido de aluminio. Sobre esta superficie mejorada se deposita el óxido de hafnio, creando un «puente atómico» que no solo mejora la superficie para el crecimiento del dieléctrico, sino que también reduce la dispersión de electrones en el canal.
Los transistores fabricados en esta investigación, utilizando técnicas de deposición química de vapor (CVD) para obtener MoS₂ monocapa, logran una notable transconductancia máxima junto con baja corriente de fuga y mínima histéresis. Este logro, aunque preliminar, demuestra el potencial de combinar un dieléctrico de baja constante con alta movilidad de electrones, una combinación que hasta ahora había resultado complicada en transistores bidimensionales.
Es importante recalcar que este progreso no se traduce de inmediato en la capacidad para producir chips de 0,7 nanómetros. Las dimensiones mencionadas son características de capas físicas dentro del dispositivo y no reflejan un nodo comercial de fabricación. El esfuerzo conjunto de TSMC y NYCU es, por tanto, una promesa de lo que podría ser el futuro de los transistores y no un producto listo para el mercado.
Paralelamente, TSMC está explorando caminos de integración con obleas de 300 milímetros para transistores basados en materiales 2D, un indicio de que estas investigaciones están incrementando su proximidad con posibles aplicaciones industriales. Mientras tanto, el silicio continúa siendo el pilar de la industria de semiconductores, aunque la búsqueda de nuevos materiales y diseños puede redefinir lo que se considera posible en la era de la microelectrónica avanzada.
El avance de TSMC y NYCU, junto con esfuerzos similares por parte de otras grandes compañías como Intel, promete empujar las fronteras tecnológicas hacia posibilidades que hace poco tiempo eran impensables, dando lugar a una nueva era en la fabricación de semiconductores. Sin embargo, aún queda camino por recorrer para utilizar materialmente estas innovaciones en la fabricación a gran escala necesaria para satisfacer la creciente demanda de dispositivos electrónicos cada vez más poderosos y eficientes.
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