Un paso de 0,7 nanómetros hacia interruptores electrónicos más pequeños
Investigadores surcoreanos han creado los principales componentes de un transistor dentro de una sola película delgada mediante la sustitución de átomos específicos. Así lograron un control de la corriente cercano al límite teórico de los transistores convencionales a temperatura ambiente. La técnica funciona en capas de unos 0,7 nanómetros de grosor y podría simplificar la fabricación de dispositivos electrónicos extremadamente pequeños.
Contenido
- Un paso de 0,7 nanómetros hacia interruptores electrónicos más pequeños
- Por qué es difícil ensamblar estos materiales
- Tres átomos sustitutos, tres funciones distintas
- Cómo eligió el equipo la capa y la ubicación
- Una barrera menor donde entra la corriente
- Conmutación cercana al límite a temperatura ambiente
- Aislamiento que permite un control preciso de la compuerta
- Un circuito apilado que funcionó a 1 voltio
- Publicación y avance hacia obleas de mayor tamaño
- Puntos clave
El equipo, dirigido por Cho Moon-ho, director del Centro de Sólidos Cuánticos de Van der Waals del Instituto de Ciencias Básicas y profesor distinguido de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang, partió del diseleniuro de tungsteno. Al sustituir sus átomos de selenio por oxígeno, azufre o telurio, los investigadores crearon regiones que aíslan, conducen la corriente o ayudan a que esta entre en el semiconductor.
El transistor resultante necesitó un cambio de 61,3 milivoltios en el voltaje de compuerta para multiplicar la corriente por diez, frente a un mínimo teórico de unos 60 milivoltios a temperatura ambiente. Cuando estaba encendido, su corriente era más de 10 millones de veces superior a la que tenía cuando estaba apagado.
Los investigadores también construyeron un pequeño circuito con transistores apilados verticalmente que invirtió una señal eléctrica a 1 voltio. En conjunto, los resultados conectan el control preciso de capas individuales de material con un circuito funcional, aunque ampliar el método a la fabricación de semiconductores sigue siendo el principal desafío.
Por qué es difícil ensamblar estos materiales
Un transistor es un interruptor controlado eléctricamente. Necesita un canal semiconductor por el que circule la corriente, una capa aislante que permita a una compuerta controlar ese canal y electrodos que conecten el dispositivo con el resto del circuito. Cada parte cumple una función distinta, por lo que es esencial que sus límites funcionen bien.
Los semiconductores descritos como bidimensionales siguen siendo útiles incluso cuando tienen solo unas pocas capas atómicas de grosor. Sin embargo, sus superficies no forman fácilmente enlaces químicos con otros materiales. Esto dificulta recubrirlos de manera uniforme con una película aislante. La conexión directa de electrodos metálicos también puede dañar la superficie de contacto o generar una resistencia eléctrica que limite la corriente.
Trasladar películas preparadas por separado y apilarlas es otra posibilidad, pero añade pasos de fabricación. En cambio, el equipo surcoreano creó varios de los materiales necesarios dentro de la película inicial, lo que reduce la necesidad de unir películas distintas.
Tres átomos sustitutos, tres funciones distintas
El diseleniuro de tungsteno, cuya fórmula es WSe2, tiene una capa de átomos de tungsteno entre átomos de selenio situados por encima y por debajo. Los investigadores conservaron el tungsteno y sustituyeron selectivamente el selenio. El cambio de los átomos circundantes modificó el comportamiento eléctrico de cada región tratada.
El oxígeno produjo óxido de tungsteno, un aislante. El azufre produjo disulfuro de tungsteno, un semiconductor de tipo n. El telurio produjo ditelururo de tungsteno, un semimetal conductor usado en la conexión entre el electrodo metálico y el semiconductor.
- El diseleniuro de tungsteno sin convertir proporcionó la región semiconductora de tipo p.
- El óxido de tungsteno proporcionó aislamiento eléctrico para controlar la compuerta.
- El disulfuro de tungsteno aportó un semiconductor de tipo n para los dispositivos complementarios.
- El ditelururo de tungsteno facilitó el movimiento de cargas entre un electrodo y el semiconductor.
Los términos tipo p y tipo n describen cómo se desplaza la carga eléctrica por un semiconductor. En un material de tipo n, los electrones transportan la corriente. En uno de tipo p, la corriente se describe mediante el movimiento de huecos, las vacantes con carga positiva que quedan donde faltan electrones. Se necesitan ambos tipos para el circuito complementario que demostró el equipo.
Cómo eligió el equipo la capa y la ubicación
La temperatura y la presión del gas de reacción permitieron a los investigadores controlar hasta qué profundidad se extendían los cambios químicos en la película. Usaron los pequeños espacios entre las capas de material como barreras que limitaban el desplazamiento de los átomos reactivos y ayudaban a evitar que la conversión se extendiera a la capa siguiente.
Cada paso controlado correspondía a una capa atómica de unos 0,7 nanómetros. Un nanómetro equivale a la milmillonésima parte de un metro. Esta cifra describe el grosor de la capa de material que se convierte; el método de fabricación también requería controlar dónde se producía la conversión sobre la superficie.
Las máscaras para el procesamiento de semiconductores proporcionaron ese segundo tipo de control. Como una cubierta con un patrón preciso, una máscara deja expuestas ciertas zonas y protege otras. La combinación de máscaras y control de la profundidad de reacción permitió a los investigadores formar distintos materiales en ubicaciones y capas elegidas dentro de una sola película.
Una barrera menor donde entra la corriente
La región de contacto de ditelururo de tungsteno abordó un problema distinto al del cambio de estado del transistor: lograr que la carga entre de manera eficiente en el semiconductor. Incluso un canal que responde bien a la compuerta puede funcionar mal si sus conexiones eléctricas dificultan la transferencia de carga.
Los investigadores midieron una barrera energética de 35,5 milielectronvoltios en la conexión entre el electrodo y el semiconductor. Según describieron, equivale a aproximadamente un tercio de la barrera que se produce con un electrodo metálico conectado directamente. Una barrera energética es el obstáculo que deben superar los portadores de carga al pasar de un material a otro.
Expresado como comparación, reducir una barrera a un tercio equivale a una disminución de alrededor del 67 %. La mejora medida se refiere a la transferencia de carga en el contacto. El consumo de energía de un circuito completo también depende de su voltaje de funcionamiento, la corriente de fuga y la actividad de conmutación.
Conmutación cercana al límite a temperatura ambiente
La medición de 61,3 milivoltios del transistor describe la rapidez con que cambia de estado al variar el voltaje de compuerta. Los ingenieros denominan a esta medida pendiente subumbral: el cambio de voltaje de compuerta necesario para que la corriente se multiplique por diez mientras el dispositivo pasa a un estado conductor.
Un valor menor significa que un cambio más pequeño de voltaje produce una variación importante de la corriente. Frente al límite aproximado de 60 milivoltios a temperatura ambiente para el funcionamiento de transistores convencionales, el valor medido fue apenas 1,3 milivoltios superior, es decir, alrededor de un 2,2 % por encima de esa referencia.
La proporción entre la corriente en los estados encendido y apagado superó los 10 millones a uno. Esto mide hasta qué punto el dispositivo diferencia sus estados conductor y no conductor. Una corriente baja en el estado apagado es importante porque la electricidad que se filtra a través de transistores inactivos desperdicia energía.
La barrera de contacto, la respuesta de conmutación y la proporción entre corrientes describen tres aspectos relacionados del rendimiento del dispositivo. El contacto ayuda a que entre la carga, la compuerta regula su paso y la diferencia entre las corrientes de encendido y apagado muestra la eficacia del transistor como interruptor.
Aislamiento que permite un control preciso de la compuerta
La región de óxido de tungsteno proporcionó la capa aislante. Esta capa debe separar eléctricamente la compuerta del canal y, a la vez, permitir que el campo eléctrico de la compuerta controle la corriente. Producirla mediante la conversión de una parte del material inicial aborda la dificultad de depositar un recubrimiento uniforme sobre un semiconductor bidimensional.
El equipo señaló que su aislamiento cumple el objetivo de la Hoja de Ruta Internacional de Dispositivos y Sistemas de lograr un espesor de óxido equivalente de 1 nanómetro o menos. El espesor de óxido equivalente, abreviado habitualmente como EOT, expresa el rendimiento eléctrico de un aislante como el grosor de una capa de referencia de dióxido de silicio con la misma capacitancia.
Por lo tanto, el EOT describe el comportamiento eléctrico y no simplemente el grosor físico del material. Se citó a los investigadores indicando un EOT inferior a 1 nanómetro; las descripciones numéricas publicadas también incluyeron valores de 0,3 a 0,4 nanómetros y de aproximadamente 1 nanómetro. Esas descripciones no aclaran el valor exacto, pero todas sitúan el aislamiento dentro del objetivo de la hoja de ruta o en su límite.
Un circuito apilado que funcionó a 1 voltio
Los investigadores fueron más allá de probar un solo transistor: apilaron verticalmente un transistor de tipo p y otro de tipo n para construir un inversor complementario. Un inversor es un circuito digital básico: una entrada alta produce una salida baja, y una entrada baja produce una salida alta.
El circuito invirtió señales con un voltaje de funcionamiento de 1 voltio. Para construirlo, los distintos tipos de semiconductor debían funcionar en conjunto, lo que vinculó el método de conversión de materiales con una función básica de la electrónica digital.
La construcción vertical también conecta el experimento con los planes del equipo para crear circuitos integrados tridimensionales. Disponer dispositivos unos sobre otros ofrece una vía para incluir más circuitos en la misma superficie, siempre que los materiales y el procesamiento puedan controlarse en todo el apilamiento.
Cho, director del centro del IBS y profesor distinguido de POSTECH, describió así la conexión entre la técnica de materiales y la fabricación de dispositivos:
"Este estudio integra una técnica fundamental de la ciencia de materiales, la manipulación de materiales a escala atómica, con la tecnología moderna de semiconductores",
Publicación y avance hacia obleas de mayor tamaño
El artículo de investigación se titula «MOSFET modulares de van der Waals mediante sustituciones de calcógenos capa por capa». MOSFET es el nombre de una familia de transistores de uso extendido que se controlan mediante una compuerta aislada. Los calcógenos son la familia química que incluye el oxígeno, el azufre, el selenio y el telurio, los elementos centrales de las sustituciones.
Las fechas del anuncio y la publicación se describieron de la siguiente manera:
- 15 de octubre de 2026: Se indicó que el Ministerio de Ciencia y TIC anunció la investigación sobre el transistor modular.
- 16 de octubre de 2026, a las 3:00, hora estándar de Corea: El ministerio indicó que el artículo se publicó en Science a esa hora. Otras descripciones situaron el anuncio público el 16 de octubre.
La siguiente etapa consiste en aplicar el método a otros semiconductores bidimensionales y ampliarlo a obleas, los sustratos de gran superficie utilizados para fabricar numerosos dispositivos semiconductores a la vez. Para su uso industrial, es necesario lograr una sustitución de átomos uniforme y reproducible en toda su superficie. No se indicó un calendario para su aplicación en la fabricación.
El cambio práctico que busca el equipo es concreto: crear materiales útiles directamente en su lugar, en vez de trasladar y unir repetidamente películas separadas. A mayor escala, esto podría reducir la complejidad del ensamblaje y mantener el control preciso de la compuerta y los mejores contactos medidos en los dispositivos experimentales.
Kim Seong-su, director de la Oficina de Políticas de Investigación y Desarrollo del Ministerio de Ciencia y TIC, afirmó que el Gobierno seguiría apoyando la investigación básica y fundamental para que las tecnologías originales contribuyeran a la competitividad industrial de Corea del Sur. El próximo trabajo de los investigadores se centrará en ampliar las áreas de procesamiento, incorporar otros materiales y construir circuitos integrados apilados.
Puntos clave
- El equipo surcoreano formó componentes clave de un transistor mediante la sustitución selectiva de átomos de selenio en diseleniuro de tungsteno.
- La temperatura, la presión del gas y las máscaras permitieron controlar la conversión en capas de unos 0,7 nanómetros y en ubicaciones específicas de la superficie.
- La barrera energética de contacto se redujo a 35,5 milielectronvoltios, aproximadamente un tercio del valor con contacto metálico directo.
- Un cambio de 61,3 milivoltios en el voltaje de compuerta multiplicó la corriente por diez, un valor cercano al límite aproximado de 60 milivoltios a temperatura ambiente.
- La proporción de corriente entre los estados encendido y apagado superó los 10 millones a uno.
- Un inversor complementario apilado verticalmente invirtió señales a 1 voltio.
- El siguiente requisito para una aplicación industrial es lograr un procesamiento uniforme en obleas de semiconductores.
