Los transistores de disulfuro de molibdeno baten un récord de rendimiento

Un nuevo diseño permite a los investigadores fabricar el transistor con mayor rendimiento hasta la fecha hecho a partir de disulfuro de molibdeno. Los resultados muestran que el material es lo suficientemente bueno para competir con el silicio en un futuro —aunque quedan sin resolver aún numerosos retos tecnológicos (Nano Lett. 2016, DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b02713).

Los materiales del grosor de un átomo como el MoS₂, el grafeno, y el fosforeno poseen propiedades electrónicas únicas, lo que los convierte en prometedores sustitutos potenciales del silicio, o al menos suponen una alternativa intrínsecamente flexible al rígido material. Pero antes de que nada pueda ocurrir, los investigadores han de demostrar que el rendimiento de los dispositivos fabricados a partir de MoS₂ ultradelgado puede acercarse o superar al del silicio.

El MoS₂ tiene una alta movilidad electrónica y es un semiconductor, lo que quiere decir que se puede usar en transistores que cambian entre estados de conducción y aislamiento, dando lugar a los 0s y 1s que son el centro de la computación.

Pero por ahora, la promesa del MoS₂ no se había cumplido. “Está claro que debería ser posible, pero no sabemos a ciencia cierta cómo llegar hasta allí” declara Andras Kis, ingeniero electrónico del Swiss Federal Institute of Technology, en Lausana, no involucrado en el trabajo original.

Uno de los mayores obstáculos para el uso del MoS₂ es el problema conocido como resistencia de contacto, tal y como explica  Xiangfeng Duan, de la Universidad de California en Los Ángeles. Para fabricar un transistor, los investigadores no necesitan únicamente un material semiconductor, sino que también son necesarios electrodos que apliquen un voltaje para poder cambiar el material a los distintos estados. Y se encontraron con dificultades a la hora de construir contactos eléctricos sobre el MoS₂. Los contactos de metal puro presentan una alta resistencia al ponerse sobre el material, y los trabajos previos realizados sobre contactos híbridos que incorporan otros materiales, como el grafeno, requieren de métodos duros como el grabado por plasma, que daña los finas láminas de MoS₂. Este daño impide el paso de la corriente, dando lugar a un transistor con una alta resistencia de contacto. A su vez, ralentiza la velocidad de cambio del transistor, lo que se traduce en un circuito más lento.

Para resolver este problema, colocaron un nanohilo de silicio de unos 80 nm de diámetro sobre una escama de MoS₂ para que funcionara como una máscara, y después cubrieron el copo y el hilo con grafeno. Además de esto, depositaron una lámina de níquel para conformar los electrodos. Después, emplearon cinta adhesiva para retirar los nanohilos —que sobresalían sobre la superficie circundante. Esto dejó expuesto el canal MoS₂ para que funcionase como el área activa del transistor, conectándolo a electrodos híbridos de grafeno-níquel a ambos lados. Este proceso mecánico no daña el canal, a diferencia del grabado por plasma.

El grafeno protege el MoS₂ que recubre de dos maneras: impide que la deposición del niquel cause daños químicos o mecánicos, y facilita la conducción de corriente entre el resto de materiales. Estos transistores baten el récord de la resistencia de contacto más baja: 0.24 kiloohmios-μm.

Tal y como dice Kis, esta baja resistencia de contacto es un importante hito, pues es entre 7 y 10 veces mejor que los dispositivos anteriores. Es difícil hacer una comparación igualitaria con el silicio, puesto que los chips de hoy en día emplean transistores de una décima del tamaño y la tecnología ya está madura. Según Duan, a pesar de que el MoS₂ no rinde tan bien como el silicio en esta demostración de laboratorio, el trabajo muestra que el material tiene potencial para competir en procesadores de ordenador, o en dispositivos flexibles y wearables.

Aún tendrá que pasar bastante tiempo, puesto que estos transistores se hicieron a mano, empleando cinta adhesiva. Lo importante del trabajo actual, dice Kis, es demostrar que este tipo de rendimiento eléctrico es posible.

El siguiente paso para el grupo de Duan es demostrar que esta baja resistencia de contacto puede traducirse en altas velocidades de cambio, que es lo que realmente importa a los ingenieros electrónicos y los diseñadores de circuitos.

Traducción al español producida por Juan José Sáenz de la Torre Divulgame.org para C&EN. La versión original (en inglés) del artículo está disponible aquí.