Avanço revolucionário! TSMC faz descoberta que pode abrir caminho para chips sub-1 nm
A Taiwan Semiconductor Manufacturing Company ( TSMC ), em parceria com a Universidade Nacional Yang Ming Chiao Tung ( NYCU ) em Taipei , Taiwan , demonstrou que aplicar engenharia…
A Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC), em parceria com a Universidade Nacional Yang Ming Chiao Tung (NYCU) em Taipei, Taiwan, demonstrou que aplicar engenharia de superfície no material do canal é uma ótima alternativa.
Em vez de apenas depositar novos materiais sobre ele, essa iniciativa permitiu criar um transistor de dissulfeto de molibdênio (MoS₂) monocamada com controle de fluxo mais rigoroso e menor resistência elétrica.
Ok, mas o que é um transistor de dissulfeto de molibdênio (MoS₂)?
Aos que estão por fora, uma breve contextualização: um transistor é como um interruptor minúsculo que controla a passagem de corrente elétrica dentro de um chip.
O dissulfeto de molibdênio (MoS₂) monocamada é um material com a espessura de uma única molécula (0,7 nanômetro) que funciona como o caminho por onde essa corrente flui.
Controle de fluxo mais rigoroso significa que a porta do transistor consegue ligar e desligar essa corrente com muito mais precisão, evitando desperdício de energia.
Já a menor resistência elétrica indica que os elétrons atravessam esse caminho com mais facilidade, gerando menos calor e permitindo que o chip funcione de forma mais rápida e eficiente.
A descoberta enfrenta um dos principais gargalos da miniaturização de chips: a perda de eficácia da porta (o elemento que controla a passagem de corrente) quando os canais dos transistores encolhem para dimensões próximas de 3 nanômetros.
Por que os transistores atuais encontram limites físicos
A maioria dos chips modernos utiliza transistores FinFET (transistor de efeito de campo de aleta, na sigla em inglês) ou GaaFET (transistor de efeito de campo gate-all-around).
Ambas são estruturas 3D que dependem de um canal que se projeta para cima e é envolvido pela porta. Esse arranjo aumenta a área de contato entre a porta e o canal, aprimorando o controle do fluxo de elétrons.
Os avanços na fabricação permitiram reduzir a espessura do canal para 5 nanômetros e encurtar seu comprimento, possibilitando colocar mais transistores em um mesmo chip.
Contudo, quando o comprimento do canal se aproxima da faixa de 3 a 5 nanômetros, a porta perde capacidade de controlar o fluxo de elétrons. Para espessuras de canal abaixo de cerca de 3 nanômetros, os elétrons que se deslocam pelo canal entram em contato com a porta, fenômeno que eleva a resistência elétrica.
Como os transistores bidimensionais monocamada contornam esses limites
Os transistores 2D monocamada têm espessura equivalente a uma única camada molecular. Essa característica garante maior controle pela porta e menor resistência, ao mesmo tempo que viabiliza o aumento da densidade de transistores no chip.
O alvo da pesquisa apontado envolve espessura de canal de 0,7 nanômetro e comprimento de canal inferior a 3 nanômetros.
O material adotado como canal nesse tipo de transistor é o dissulfeto de molibdênio (MoS₂) monocamada.
A escolha se justifica pela espessura natural de 0,7 nanômetro e pela capacidade de sustentar maior controle de corrente. Nos transistores FinFET, o material de canal predominante é o silício-germânio.
O problema da deposição tradicional da porta sobre o MoS₂
O fato de o MoS₂ ser extremamente fino gera seus próprios problemas. Pesquisas anteriores mostraram que, ao tentar fabricar a porta usando as técnicas tradicionais de deposição (processo que aplica o material camada por camada sobre a superfície), a camada dielétrica da porta ficava irregular sobre o canal.
Por sua vez e não menos importante, destacamos que essa irregularidade prejudica o controle da corrente elétrica.
A camada dielétrica da porta é o componente que impede vazamentos de corrente e permite o controle efetivo do fluxo de elétrons. A irregularidade dessa camada comprometia o desempenho do transistor.
Engenharia de superfície com alumínio epitaxial como alternativa à deposição tradicional
TSMC e NYCU concentraram os esforços em superar as limitações do processo de deposição, que, conforme mencionado acima, consiste em aplicar o material da porta camada por camada sobre o canal.
O foco específico da pesquisa recaiu sobre a camada dielétrica da porta, responsável por evitar vazamentos de corrente e permitir o controle efetivo do fluxo de elétrons.
Em contraste com técnicas anteriores que investigavam novos métodos de deposição ou novos materiais, a abordagem dos pesquisadores recorre a uma camada ultrafina de alumínio epitaxial.
O processo consiste em realizar engenharia de superfície no MoS₂ por meio da deposição da camada de alumínio e da subsequente oxidação controlada desse alumínio, formando um óxido de alumínio com 0,42 nanômetro de espessura.
Sobre essa camada de óxido, é adicionado o material dielétrico de porta de óxido de háfnio de alto κ (constante dielétrica elevada).
Resultados de controle de fluxo e resistência equiparáveis a dielétricos de 1 nanômetro
Os testes realizados pela dupla de pesquisadores demonstraram que a engenharia de superfície aplicada ao MoS₂ permite controle de fluxo mais rigoroso e resistência reduzida no transistor.
O desempenho alcançado equivale ao de uma camada dielétrica de 1 nanômetro de espessura, mesmo utilizando o empilhamento de óxido de alumínio de 0,42 nanômetro mais óxido de háfnio de alto κ.
Traduzindo a descoberta: o que tudo isso significa na prática
Achou tudo muito técnico e confuso? Não se preocupe, pois explicaremos de uma forma mais simplificada o que tudo isso significa.
Para começar a entender, pense em um transistor como uma torneira de água. A torneira em si é a porta, que abre e fecha para controlar a passagem da água. O cano por onde a água corre é o canal.
Nos chips atuais, esse “cano” é tridimensional e fica em pé, com a torneira enrolada em volta dele.
Conforme a indústria tenta fabricar chips cada vez menores, esse cano vai ficando tão fino e tão curto que a torneira começa a perder a capacidade de fechar completamente, deixando a água vazar.
É por isso que, quando o canal encolhe para perto de 3 nanômetros (medida extremamente pequena, bilhões de vezes menor que um metro), o transistor não funciona mais como deveria: a corrente elétrica escapa, e o chip consome mais energia e gera mais calor.
Por que trocar o cano tridimensional por uma folha molecular
A saída encontrada por TSMC e NYCU foi abandonar o cano 3D e usar um material com a espessura de uma única molécula, o dissulfeto de molibdênio (MoS₂).
Esse material funciona como uma folha de papel extremamente fina sobre a mesa, e a torneira é montada em cima dela. Por ser plano e ultrafino, o controle sobre a corrente melhora bastante.
Mas aí surgiu outro problema: ao tentar colocar a torneira diretamente sobre essa folha, a superfície ficava irregular, como tentar pintar uma parede cheia de ondulações. A “tinta” não espalha direito, e o isolamento que deveria impedir vazamentos não funcionava bem.
A solução do primer antes da pintura final
Para resolver isso, os pesquisadores não insistiram em melhorar a técnica de pintura. Em vez disso, criaram uma camada preparatória sobre a folha de MoS₂.
Depositaram uma camada ultrafina de alumínio e a transformaram em óxido de alumínio, que funciona como um primer, ou simplesmente um selador de parede.
Com a superfície alisada por essa camada de apenas 0,42 nanômetro, aplicaram então o material isolante definitivo, o óxido de háfnio. O resultado foi um isolamento tão eficiente quanto o de uma camada de 1 nanômetro de espessura, mesmo usando menos material.
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O que ganham os chips do futuro
Traduzindo para o impacto prático: essa técnica permite fabricar transistores que ligam e desligam com precisão cirúrgica, desperdiçam menos energia na forma de calor e podem ser empilhados em quantidades muito maiores dentro de um mesmo chip.
Para finalizar, ressaltamos que, em termos de uso cotidiano, isso abre caminho para processadores de celulares, computadores e servidores mais rápidos, que consomem menos bateria e aquecem menos, sem que a indústria esbarre nas barreiras físicas que ameaçavam interromper a evolução dos chips.
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Fonte: WCCFtech
