Equipa sul-coreana cria componentes de transístor substituindo átomos numa película ultrafina

Um passo de 0,7 nanómetros rumo a interruptores electrónicos mais pequenos

Investigadores sul-coreanos criaram os principais componentes de um transístor numa única película fina, substituindo átomos seleccionados e alcançando um controlo da corrente próximo do limite teórico dos transístores convencionais à temperatura ambiente. A técnica funciona em camadas com cerca de 0,7 nanómetros de espessura e poderá simplificar a construção de dispositivos electrónicos extremamente pequenos.

A equipa, liderada por Cho Moon-ho, director do Centro de Sólidos Quânticos de Van der Waals do Instituto de Ciências Básicas e professor ilustre da Universidade de Ciência e Tecnologia de Pohang, começou com disseleneto de tungsténio. Ao substituir os átomos de selénio por oxigénio, enxofre ou telúrio, os investigadores criaram regiões que isolam, conduzem corrente ou facilitam a entrada da corrente no semicondutor.

O transístor resultante precisava de uma variação de 61,3 milivolts na tensão da porta para aumentar a corrente dez vezes, face a um mínimo teórico de cerca de 60 milivolts à temperatura ambiente. A corrente no estado ligado era mais de 10 milhões de vezes superior à corrente no estado desligado.

Os investigadores construíram também um pequeno circuito com transístores empilhados verticalmente, que invertia um sinal eléctrico a 1 volt. Em conjunto, os resultados ligam o controlo preciso de camadas individuais de material a um circuito funcional, embora a expansão para a produção de semicondutores continue a ser o principal desafio.

Porque é difícil combinar estes materiais

Um transístor é um interruptor controlado electricamente. Precisa de um canal semicondutor por onde passa a corrente, de uma camada isolante que permita a uma porta controlar esse canal e de eléctrodos que liguem o dispositivo ao resto do circuito. Cada componente tem uma função diferente, pelo que é essencial que as interfaces entre eles funcionem bem.

Os semicondutores descritos como bidimensionais continuam a ser úteis mesmo quando têm apenas algumas camadas atómicas de espessura. No entanto, as suas superfícies não formam facilmente ligações químicas com outros materiais. Isto dificulta o revestimento uniforme com uma película isolante. A ligação directa de eléctrodos metálicos também pode danificar a superfície de contacto ou criar uma resistência eléctrica que limita a corrente.

Uma alternativa consiste em colocar e empilhar películas preparadas separadamente, mas isso acrescenta etapas de fabrico. Em vez disso, a equipa coreana criou vários dos materiais necessários na película inicial, reduzindo a necessidade de juntar películas diferentes.

Três átomos substitutos, três funções diferentes

O disseleneto de tungsténio, cuja fórmula é WSe2, tem uma camada de átomos de tungsténio entre camadas de átomos de selénio, por cima e por baixo. Os investigadores mantiveram o tungsténio e substituíram selectivamente o selénio. A alteração dos átomos circundantes mudou o comportamento eléctrico de cada região tratada.

O oxigénio produziu óxido de tungsténio, um isolante. O enxofre produziu dissulfureto de tungsténio, um semicondutor do tipo n. O telúrio produziu ditelureto de tungsténio, um semimetal condutor utilizado na ligação entre o eléctrodo metálico e o semicondutor.

• O disseleneto de tungsténio não convertido formou a região semicondutora do tipo p.
• O óxido de tungsténio assegurou o isolamento eléctrico necessário ao controlo pela porta.
• O dissulfureto de tungsténio forneceu um semicondutor do tipo n para dispositivos complementares.
• O ditelureto de tungsténio facilitou a passagem de carga entre um eléctrodo e o semicondutor.

Os termos tipo p e tipo n descrevem a forma como a carga eléctrica se desloca num semicondutor. Num material do tipo n, os electrões transportam a corrente. Num material do tipo p, a corrente é descrita como o movimento de lacunas, as vagas com carga positiva deixadas onde faltam electrões. São necessários ambos os tipos para o circuito complementar demonstrado pela equipa.

Como a equipa escolheu a camada e a localização

A temperatura e a pressão do gás de reacção permitiram aos investigadores controlar a profundidade a que as alterações químicas penetravam na película. Utilizaram os pequenos espaços entre as camadas de material como barreiras que limitavam o movimento dos átomos reactivos, ajudando a impedir que a conversão se propagasse à camada seguinte.

Cada etapa controlada correspondia a uma camada atómica com cerca de 0,7 nanómetros de espessura. Um nanómetro é a mil milionésima parte de um metro. Este valor descreve a espessura da camada de material convertida; o método de fabrico também exigia controlo sobre as zonas da superfície onde ocorria a conversão.

As máscaras usadas no processamento de semicondutores forneceram esse segundo tipo de controlo. À semelhança de uma cobertura com um padrão preciso, uma máscara expõe certas áreas e protege outras. A combinação das máscaras com o controlo da profundidade da reacção permitiu aos investigadores formar materiais diferentes em locais e camadas seleccionados de uma única película.

Uma barreira mais baixa na entrada da corrente

A região de contacto de ditelureto de tungsténio resolveu um problema diferente do controlo do transístor: fazer a carga entrar eficientemente no semicondutor. Mesmo um canal que responda bem à porta pode ter um desempenho fraco se as ligações eléctricas dificultarem a transferência de carga.

Os investigadores mediram uma barreira energética de 35,5 milielectrões-volt na ligação entre o eléctrodo e o semicondutor. Descreveram-na como sendo cerca de um terço da barreira existente com um eléctrodo metálico ligado directamente. Uma barreira energética é o obstáculo que os portadores de carga têm de ultrapassar ao passar de um material para outro.

Em termos comparativos, uma barreira reduzida a um terço é cerca de 67% mais baixa. A melhoria medida diz respeito à transferência de carga no contacto. O consumo de energia de um circuito completo também depende da tensão de funcionamento, da corrente de fuga e da actividade de comutação.

Comutação próxima do limite à temperatura ambiente

A medição de 61,3 milivolts do transístor descreve a rapidez com que este comuta à medida que a tensão da porta muda. Os engenheiros chamam-lhe inclinação de subthreshold: a variação da tensão da porta necessária para alterar a corrente por um factor de dez enquanto o dispositivo se aproxima do estado condutor.

Um valor mais baixo significa que uma pequena variação de tensão produz uma grande alteração da corrente. Face ao limite aproximado de 60 milivolts à temperatura ambiente para o funcionamento de transístores convencionais, o valor medido foi apenas 1,3 milivolts superior, ou cerca de 2,2% acima desse referencial.

A relação entre a corrente nos estados ligado e desligado ultrapassou 10 milhões para um. Esta medida indica quão bem o dispositivo distingue os estados condutor e não condutor. Uma corrente baixa no estado desligado é importante, porque a electricidade que passa por transístores inactivos desperdiça energia.

A barreira de contacto, a resposta de comutação e a relação entre correntes descrevem três aspectos relacionados do desempenho do dispositivo. O contacto ajuda a carga a entrar, a porta regula a sua passagem e a diferença entre a corrente nos estados ligado e desligado mostra a eficácia do transístor enquanto interruptor.

Isolamento que permite um controlo próximo pela porta

A região de óxido de tungsténio forneceu a camada isolante. Esta camada tem de separar electricamente a porta do canal, permitindo ao mesmo tempo que o campo eléctrico da porta controle a corrente. A sua produção através da conversão de parte do material inicial responde à dificuldade de depositar um revestimento uniforme num semicondutor bidimensional.

A equipa afirmou que o isolamento cumpre a meta do Roteiro Internacional para Dispositivos e Sistemas, que prevê uma espessura equivalente de óxido igual ou inferior a 1 nanómetro. A espessura equivalente de óxido, habitualmente abreviada como EOT, exprime o desempenho eléctrico de um isolante como a espessura de uma camada de referência de dióxido de silício com a mesma capacitância.

Por conseguinte, a EOT descreve o comportamento eléctrico, e não apenas a espessura física do material. Os investigadores foram citados a indicar uma EOT inferior a 1 nanómetro; as descrições numéricas publicadas também incluíram valores entre 0,3 e 0,4 nanómetros e de aproximadamente 1 nanómetro. As descrições não esclarecem o valor exacto, mas todas situam o isolamento dentro ou no limite da meta definida pelo roteiro.

Circuito empilhado funcionou a 1 volt

Os investigadores foram além do teste de um único transístor e empilharam verticalmente um transístor do tipo p e outro do tipo n para criar um inversor complementar. Um inversor é um circuito digital básico: uma entrada alta produz uma saída baixa, e uma entrada baixa produz uma saída alta.

O circuito invertia sinais com uma tensão de funcionamento de 1 volt. A sua construção exigiu que os diferentes tipos de semicondutores funcionassem em conjunto, ligando o método de conversão dos materiais a uma função básica da electrónica digital.

A construção vertical também aproxima a experiência dos planos da equipa para circuitos integrados tridimensionais. A disposição dos dispositivos uns sobre os outros permite integrar mais circuitos na mesma área de superfície, desde que seja possível controlar os materiais e o processamento ao longo de toda a estrutura empilhada.

Cho, director do centro do IBS e professor ilustre da POSTECH, descreveu a ligação entre a técnica dos materiais e o fabrico de dispositivos:

«Este estudo integra uma técnica fundamental da ciência dos materiais, a manipulação de materiais à escala atómica, com a tecnologia moderna de semicondutores»,

Publicação e avanço para bolachas de maiores dimensões

O artigo de investigação intitula-se Modular van der Waals MOSFETs through layer-by-layer chalcogen substitutions. MOSFET é o nome de uma família de transístores muito utilizada, controlada por uma porta isolada. Os calcogénios são a família química que inclui o oxigénio, o enxofre, o selénio e o telúrio, elementos centrais nas substituições.

As datas do anúncio e da publicação foram descritas da seguinte forma:

• 15 de Outubro de 2026: O Ministério da Ciência e das TIC foi referido como tendo anunciado a investigação sobre o transístor modular.
• 16 de Outubro de 2026, às 3h00, hora padrão da Coreia: O ministério indicou esta hora para a publicação na revista Science. Outras descrições dataram o anúncio público de 16 de Outubro.

A próxima etapa consiste em aplicar o método a outros semicondutores bidimensionais e alargá-lo a bolachas, os substratos de grandes dimensões utilizados para fabricar vários dispositivos semicondutores em simultâneo. A substituição uniforme e reprodutível de átomos em toda a superfície é uma condição necessária para a utilização industrial. Não foi indicado qualquer calendário para a implementação no fabrico.

A mudança prática pretendida pela equipa é concreta: criar materiais úteis no próprio local, em vez de transferir e unir repetidamente películas separadas. A uma escala maior, isto poderá reduzir a complexidade da montagem, mantendo o controlo preciso pela porta e os contactos melhorados medidos nos dispositivos experimentais.

Kim Seong-su, director do Gabinete de Políticas de I&D do Ministério da Ciência e das TIC, afirmou que o Governo continuaria a apoiar a investigação básica e fundamental para que as tecnologias originais pudessem contribuir para a competitividade industrial da Coreia do Sul. O trabalho seguinte dos investigadores centrar-se-á em áreas de processamento maiores, materiais adicionais e circuitos integrados empilhados.

Principais pontos

• A equipa coreana formou componentes essenciais de um transístor substituindo selectivamente átomos de selénio no disseleneto de tungsténio.
• A temperatura, a pressão do gás e as máscaras controlaram a conversão em camadas com cerca de 0,7 nanómetros de espessura e em locais seleccionados da superfície.
• A barreira energética de contacto baixou para 35,5 milielectrões-volt, cerca de um terço do valor registado com contacto metálico directo.
• Uma variação de 61,3 milivolts na tensão da porta aumentou a corrente dez vezes, um valor próximo do limite aproximado de 60 milivolts à temperatura ambiente.
• A relação entre a corrente nos estados ligado e desligado ultrapassou 10 milhões para um.
• Um inversor complementar empilhado verticalmente inverteu sinais a 1 volt.
• O processamento uniforme em bolachas semicondutoras é o próximo requisito para a aplicação industrial.