Equipe sul-coreana cria componentes de transistor ao substituir átomos em um filme ultrafino

Um passo de 0,7 nanômetro rumo a interruptores eletrônicos menores

Pesquisadores sul-coreanos criaram os principais componentes de um transistor em um único filme fino, substituindo átomos específicos e alcançando um controle da corrente próximo ao limite teórico dos transistores convencionais à temperatura ambiente. A técnica funciona em camadas com cerca de 0,7 nanômetro de espessura e pode simplificar a construção de dispositivos eletrônicos extremamente pequenos.

A equipe, liderada por Cho Moon-ho, diretor do Centro de Sólidos Quânticos de van der Waals do Instituto de Ciências Básicas e professor titular da Universidade de Ciência e Tecnologia de Pohang, começou com disseleneto de tungstênio. Ao substituir seus átomos de selênio por oxigênio, enxofre ou telúrio, os pesquisadores criaram regiões que isolam, conduzem corrente ou ajudam a corrente a entrar no semicondutor.

O transistor resultante precisou de uma variação de 61,3 milivolts na tensão de porta para aumentar a corrente em dez vezes, em comparação com o mínimo teórico de cerca de 60 milivolts à temperatura ambiente. A corrente quando ligado foi mais de 10 milhões de vezes maior do que quando desligado.

Os pesquisadores também construíram um pequeno circuito com transistores empilhados verticalmente que inverteu um sinal elétrico a 1 volt. Em conjunto, os resultados conectam o controle preciso de camadas individuais de material a um circuito funcional, enquanto a ampliação do processo para a fabricação de semicondutores continua sendo o próximo grande desafio.

Por que é difícil combinar esses materiais

Um transistor é um interruptor controlado eletricamente. Ele precisa de um canal semicondutor por onde a corrente passa, uma camada isolante que permita a uma porta controlar esse canal e eletrodos que conectem o dispositivo ao restante do circuito. Cada parte tem uma função diferente, por isso é essencial que as interfaces entre elas funcionem bem.

Os semicondutores descritos como bidimensionais continuam úteis mesmo quando têm apenas algumas camadas atômicas de espessura. Suas superfícies, porém, não formam facilmente ligações químicas com outros materiais. Isso dificulta revesti-los uniformemente com uma película isolante. A conexão direta de eletrodos metálicos também pode danificar a superfície de contato ou criar uma resistência elétrica que restringe a corrente.

Posicionar e empilhar filmes preparados separadamente é outra possibilidade, mas isso acrescenta etapas de fabricação. Em vez disso, a equipe sul-coreana criou vários dos materiais necessários dentro do filme inicial, reduzindo a necessidade de unir filmes diferentes.

Três átomos substitutos, três funções diferentes

O disseleneto de tungstênio, cuja fórmula é WSe2, tem uma camada de átomos de tungstênio entre átomos de selênio acima e abaixo. Os pesquisadores mantiveram o tungstênio e substituíram seletivamente o selênio. A troca dos átomos ao redor alterou o comportamento elétrico de cada região tratada.

O oxigênio produziu óxido de tungstênio, um isolante. O enxofre produziu dissulfeto de tungstênio, um semicondutor do tipo n. O telúrio produziu ditelureto de tungstênio, um semimetal condutor usado na conexão entre o eletrodo metálico e o semicondutor.

• O disseleneto de tungstênio não convertido formou a região semicondutora do tipo p.
• O óxido de tungstênio forneceu isolamento elétrico para o controle pela porta.
• O dissulfeto de tungstênio formou um semicondutor do tipo n para dispositivos complementares.
• O ditelureto de tungstênio ajudou a carga a se mover entre um eletrodo e o semicondutor.

Os termos tipo p e tipo n descrevem como a carga elétrica se desloca em um semicondutor. Em um material do tipo n, os elétrons conduzem a corrente. Em um material do tipo p, a corrente é descrita pelo movimento de lacunas, as vagas com carga positiva deixadas onde faltam elétrons. Os dois tipos são necessários para o circuito complementar demonstrado pela equipe.

Como a equipe escolheu a camada e o local

A temperatura e a pressão do gás reagente permitiram aos pesquisadores controlar a profundidade com que as mudanças químicas avançavam no filme. Eles usaram os pequenos espaços entre as camadas do material como barreiras que limitavam o movimento dos átomos reagentes, ajudando a impedir que a conversão se propagasse para a camada seguinte.

Cada etapa controlada correspondia a uma camada atômica com cerca de 0,7 nanômetro de espessura. Um nanômetro equivale a um bilionésimo de metro. Esse valor descreve a espessura da camada de material convertida; o método de fabricação também exigiu controle sobre os locais da superfície em que a conversão ocorreu.

Máscaras de processamento de semicondutores forneceram esse segundo tipo de controle. Como uma cobertura com padrão preciso, a máscara expõe áreas selecionadas e protege as demais. A combinação das máscaras com o controle da profundidade da reação permitiu aos pesquisadores formar materiais diferentes em locais e camadas escolhidos dentro de um único filme.

Uma barreira menor por onde a corrente entra

A região de contato de ditelureto de tungstênio resolveu um problema diferente do chaveamento do transistor: permitir que a carga entrasse no semicondutor com eficiência. Mesmo um canal que responde bem à porta pode ter desempenho ruim se as conexões elétricas dificultarem a transferência de carga.

Os pesquisadores mediram uma barreira de energia de 35,5 mili-elétron-volts na conexão entre o eletrodo e o semicondutor. Segundo eles, esse valor corresponde a cerca de um terço da barreira observada com um eletrodo metálico conectado diretamente. Uma barreira de energia é o obstáculo que os portadores de carga precisam superar ao passar de um material para outro.

Em termos comparativos, uma barreira reduzida a um terço é aproximadamente 67% menor. A melhora medida diz respeito à transferência de carga no contato. O consumo de energia de um circuito completo também depende da tensão de operação, da corrente de fuga e da atividade de chaveamento.

Chaveamento próximo do limite à temperatura ambiente

A medida de 61,3 milivolts do transistor descreve a rapidez com que ele chaveia conforme a tensão de porta muda. Os engenheiros chamam esse parâmetro de inclinação de sublimiar: a variação da tensão de porta necessária para mudar a corrente por um fator de dez enquanto o dispositivo passa a conduzir.

Um valor menor significa que uma variação menor de tensão produz uma grande mudança na corrente. Em comparação com o limite aproximado de 60 milivolts à temperatura ambiente para a operação de transistores convencionais, o valor medido ficou apenas 1,3 milivolt acima, ou cerca de 2,2% além desse patamar.

A razão entre a corrente nos estados ligado e desligado superou 10 milhões para um. Isso mede o quanto o dispositivo diferencia seus estados condutor e não condutor. Uma corrente baixa no estado desligado é importante porque a eletricidade que vaza por transistores inativos desperdiça energia.

A barreira de contato, a resposta de chaveamento e a razão entre as correntes descrevem três aspectos relacionados do desempenho do dispositivo. O contato facilita a entrada da carga, a porta regula sua passagem e a diferença entre as correntes nos estados ligado e desligado mostra a eficiência do transistor como interruptor.

Isolamento que permite controle próximo pela porta

A região de óxido de tungstênio forneceu a camada isolante. Essa camada precisa separar eletricamente a porta do canal, permitindo ao mesmo tempo que o campo elétrico da porta controle a corrente. Produzi-la pela conversão de parte do material inicial contorna a dificuldade de depositar um revestimento uniforme sobre um semicondutor bidimensional.

A equipe afirmou que seu isolamento atende à meta do Roteiro Internacional para Dispositivos e Sistemas (IRDS, na sigla em inglês) de uma espessura equivalente de óxido de 1 nanômetro ou menos. A espessura equivalente de óxido, geralmente abreviada como EOT, expressa o desempenho elétrico de um isolante como a espessura de uma camada de referência de dióxido de silício com a mesma capacitância.

Portanto, a EOT descreve o comportamento elétrico, e não apenas a espessura física do material. Os pesquisadores foram citados indicando uma EOT abaixo de 1 nanômetro; descrições numéricas publicadas também incluíram valores de 0,3 a 0,4 nanômetro e de aproximadamente 1 nanômetro. O valor exato não está esclarecido nessas descrições, mas todas situam o isolamento na meta indicada pelo roteiro ou abaixo dela.

Circuito empilhado operou a 1 volt

Os pesquisadores foram além dos testes de um único transistor: empilharam verticalmente um transistor 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 inverteu sinais com uma tensão de operação de 1 volt. Sua construção exigiu que os diferentes tipos de semicondutores funcionassem em conjunto, ligando o método de conversão dos materiais a uma função básica usada na eletrônica digital.

A construção vertical também aproxima o experimento dos planos da equipe para circuitos integrados tridimensionais. Dispor dispositivos uns sobre os outros oferece uma maneira de acomodar mais circuitos na mesma área de superfície, desde que seja possível controlar os materiais e o processamento em toda a pilha.

Cho, diretor do centro do IBS e professor titular da POSTECH, descreveu a conexão entre a técnica de materiais e a fabricação de dispositivos:

"Este estudo integra uma técnica fundamental da ciência dos materiais, a manipulação de materiais em escala atômica, à tecnologia moderna de semicondutores",

Publicação e avanço para wafers maiores

O artigo de pesquisa tem o título Transistores MOSFET modulares de van der Waals por meio de substituições de calcogênios camada por camada. MOSFET é o nome de uma família amplamente utilizada de transistores controlados por uma porta isolada. Calcogênios são a família química que inclui oxigênio, enxofre, selênio e telúrio, os elementos centrais das 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 descrito como tendo anunciado a pesquisa sobre o transistor modular.
• 16 de outubro de 2026, às 3h (horário padrão da Coreia): O ministério indicou esse horário para a publicação na revista Science. Outras descrições dataram o anúncio público de 16 de outubro.

A próxima etapa é aplicar o método a outros semicondutores bidimensionais e ampliá-lo para wafers, os substratos amplos usados para fabricar vários dispositivos semicondutores ao mesmo tempo. Para uso industrial, será necessário obter uma substituição atômica uniforme e reproduzível em toda a superfície. Não foi informado um cronograma para o início da fabricação.

A mudança prática buscada pela equipe é específica: criar materiais funcionais diretamente no local, em vez de transferir e unir filmes separados repetidas vezes. Em escala maior, isso poderia reduzir a complexidade da montagem e manter o controle próximo pela porta e os contatos aprimorados medidos nos dispositivos experimentais.

Kim Seong-su, diretor do Escritório de Políticas de Pesquisa e Desenvolvimento do Ministério da Ciência e das TIC, afirmou que o governo continuaria apoiando a pesquisa básica e fundamental para que tecnologias originais pudessem contribuir para a competitividade industrial da Coreia do Sul. Os próximos trabalhos dos pesquisadores se concentrarão em áreas de processamento maiores, materiais adicionais e circuitos integrados empilhados.

Principais pontos

• A equipe sul-coreana formou componentes essenciais de um transistor ao substituir seletivamente átomos de selênio no disseleneto de tungstênio.
• Temperatura, pressão do gás e máscaras controlaram a conversão em camadas com cerca de 0,7 nanômetro de espessura e em locais selecionados da superfície.
• A barreira de energia no contato caiu para 35,5 mili-elétron-volts, cerca de um terço do valor observado com contato metálico direto.
• Uma variação de 61,3 milivolts na tensão de porta aumentou a corrente em dez vezes, perto do limite aproximado de 60 milivolts à temperatura ambiente.
• A razão entre a corrente nos estados ligado e desligado superou 10 milhões para um.
• Um inversor complementar empilhado verticalmente inverteu sinais a 1 volt.
• O processamento uniforme em wafers de semicondutores é o próximo requisito para a aplicação industrial.