El MIT crea el primer transistor 3D de 6 nanómetros con efecto túnel cuántico donde los electrones se «teletransportan»
Los transistores convencionales de silicio, aunque extremadamente eficientes gracias a las evoluciones de Samsung, Intel y TSMC basándose en los patrones de Imec, enfrentan barreras físicas que limitan su rendimiento y eficiencia energética. Pero a medida que la tecnología de la avanza, estos límites se vuelven cada vez más restrictivos a medida que bajamos en escala nanométrica. Por ello, un equipo de ingenieros del MIT ha desarrollado un diseño innovador que podría superar estos desafíos utilizando principios de túnel cuántico al típico transistor 3D.
Uno de los problemas clave es la "tiranía de Boltzmann", un límite fundamental en el voltaje mínimo necesario para activar un transistor de silicio a temperatura ambiente. Este umbral limita la capacidad de los transistores de silicio para funcionar con menor voltaje sin perder su capacidad de encendido y apagado.
El MIT crea el primer transistor 3D de efecto túnel cuántico a solo 6 nanómetros
Aunque los chips actuales van a entrar en la barrera de los 1,8 nm y 2 nm, según a qué fabricante se mire, estas métricas no son más que marketing de las empresas. Antaño, el valor en nanómetros sí que representaba valores como la longitud de la Gate del transistor, algo mucho más preciso. Hoy en día, es solo una métrica para marcar una referencia en la industria para diferenciar el avance. Ya vimos como Intel cambió su nomenclatura, luego TSMC, y más tarde Samsung.
Por ello, estos valores indican desde la densidad esperada, hasta el consumo de energía y rendimiento, o las características del nodo, pero nada que ver con el tamaño del transistor, que en definitiva, es mucho más grande que estos valores. Por ello, reducir el valor real, como el Pitch Gate, representa un problema para la física tradicional, donde esta impone un obstáculo.
Para resolver este problema, el equipo del MIT fabricó transistores experimentales utilizando materiales semiconductores distintos al silicio, específicamente antimoniuro de galio y arseniuro de indio. Con una financiación parcial de Intel y el respaldo de la infraestructura avanzada de MIT.nano, los investigadores crearon un concepto de transistor en un diseño 3D utilizando nanocables verticales con un diámetro de tan solo 6 nanómetros, posiblemente los transistores en 3D más pequeños logrados hasta la fecha.
El efecto de túnel cuántico y el “teletransporte” de los electrones
A esta escala, los efectos cuánticos desempeñan un papel fundamental. Uno de ellos es el efecto túnel cuántico, que permite que los electrones se "teletransporten" (muchas comillas aquí) a través de una barrera aislante en lugar de atravesarla. Este fenómeno hace posible que los transistores operen con voltajes considerablemente más bajos. Además, el confinamiento cuántico, en el que las pequeñas dimensiones de los nanocables afectan las propiedades del material, contribuye a mejorar su rendimiento.
Las pruebas iniciales revelan que estos transistores del MIT logran velocidades de conmutación extremadamente rápidas con un consumo energético mínimo. La pendiente de voltaje de conmutación es mucho más pronunciada que la de los transistores convencionales de silicio, con un rendimiento que es aproximadamente 20 veces superior al de otros transistores de tunelización.
Aunque esta tecnología podría en el futuro reemplazar al silicio en muchas de sus aplicaciones, el equipo reconoce que aún hay obstáculos antes de su posible comercialización. Necesitan optimizar el proceso de fabricación para garantizar la uniformidad de estos transistores a nanoescala en todo el chip.