Um novo material ajuda os transistores a se tornarem muito pequenos

E mais transistores significam mais poder de computação

Aqui está uma velha piada no setor de semicondutores de que o número de pessoas que prevê a morte da lei de Moore duplica a cada dois anos. Isso se refere a outra previsão, feita na década de 1970 por Gordon Moore, um dos fundadores da Intel, uma gigante fabricante de chips, de que o número de transistores que podem ser amontoados em um chip de silício dobra a cada dois anos. Quando esse número ultrapassou 1 milhão em meados da década de 1980, alguns disseram que a taxa de progresso tinha que desacelerar. Em 2005, o número de transistores em um chip aumentou acima de 1 bilhão, o que muitos consideravam insustentável. Mas agora existem cerca de 50 bilhões de transistores disputando espaço em alguns chips e os produtores estão buscando mais.

No estado da arte atual, os menores componentes (transistores e diodos) feitos em um chip de silício têm cerca de sete nanômetros (bilionésimos de metro) de diâmetro. Isso é um milésimo do diâmetro de um glóbulo vermelho. Mas os problemas estão aumentando. À medida que os componentes diminuem, os elétrons começam a vazar das conexões entre eles, causando interferência e falta de confiabilidade. Os profetas da desgraça, portanto, voltaram. Mais uma vez, no entanto, eles parecem estar errados. A resposta para o problema de vazamento de elétrons é um melhor isolamento entre os componentes do chip. E um grupo de pesquisadores na Coréia do Sul e na Grã-Bretanha acha que possui o isolador necessário. É chamado de nitreto de boro amorfo de película fina (a- bn ).

A maravilha que espera

A história de fundo deste material é intrigante. O boro e o nitrogênio estão em ambos os lados do carbono na tabela periódica, uma consequência disso é que os materiais compostos por números iguais de átomos de boro e nitrogênio cristalizam da mesma maneira que o carbono. Por outras palavras, existem equivalentes de nitreto de boro de diamantes e grafite. Existem também versões de nitreto de boro dos pequenos arranjos de átomos de carbono conhecidos como fulerenos e nanotubos. Portanto, não foi surpresa, após a criação, em 2004, de outro alótropo de carbono, o grafeno, que consiste em camadas únicas de átomos dispostos em uma grade hexagonal como um favo de mel, por ter um análogo de nitreto de boro. Isto passou a ser conhecido coloquialmente como grafeno branco.

Para começar, o grafeno branco também era parte do novo campo de materiais bidimensionais, como costumam chamar essas folhas de átomos. O grafeno real, sendo incrivelmente forte e capaz de conduzir calor e eletricidade de maneira extremamente eficiente, foi considerado um material maravilhoso que poderia um dia ser usado para tornar os transistores muito menores e mais rápidos que a variedade à base de silício, e assim manter a lei de Moore em vigor. Mas, para esse propósito, o grafeno real tem um problema que é o inverso de sua maravilha: não possui gap de banda.

A folga de banda de um material é uma medida da energia necessária para um elétron fluir através dele. Uma folga de banda estreita significa que o material é um condutor. Um intervalo de banda larga o torna um isolador. O intervalo de banda de zero do grafeno, o que é mais incomum, faz com que seja um condutor muito bom. Mas, para ser um semicondutor, o tipo de material a partir do qual os transistores são fabricados, é necessário um espaço de banda "Goldilocks" que fica entre os dois extremos - nem muito estreito nem muito amplo. Vários métodos de consertar produziram versões de grafeno que possuem essa propriedade de conto de fadas, mas os transistores feitos com eles estão, até agora, confinados ao laboratório.

O estudo do grafeno e seus análogos, no entanto, proporcionou aos tecnólogos uma enorme experiência no campo de materiais bidimensionais. E é aí que entra o nitreto de boro. Embora não seja utilizado como semicondutor, ele possui uma folga de banda larga o suficiente para torná-lo um isolante extremamente bom. Assim, parece um material adequado, pelo menos em princípio, para lidar com o problema do vazamento de elétrons.

Entre as empresas que tentam desenvolver transistores de grafeno está a Samsung, um gigante grupo de eletrônicos sul-coreano. Seus pesquisadores não negligenciaram o nitreto de boro. Um deles, Hyeon-Jin Shin, trabalhando em colaboração com Hyeon Suk Shin (sem parentesco) do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia de Ulsan na Coréia do Sul e Manish Chhowalla da Universidade de Cambridge, na Grã-Bretanha, criou um formulário de nitreto de boro de película fina que não possui a estrutura hexagonal regular do grafeno branco padrão - daí a descrição "amorfa". Fundamentalmente, a maneira como essa substância é feita pode permitir a integração do nitreto de boro no processo padrão de fabricação de cavacos.

Um resultado fabuloso

Os materiais de película fina são geralmente criados por um processo chamado deposição química de vapor ( cvd ), e a- bn não é uma exceção. A técnica, como o próprio nome sugere, envolve vaporizar o material em questão, ou produtos químicos que reagirão juntos para produzi-lo, e depois depositar o resultado em um substrato. No caso da microeletrônica, esse substrato é geralmente uma bolacha de silício.

Em geral, para materiais bidimensionais, como grafeno e grafeno branco, a cvd deve ser realizada acima de 700 ° C. Isso é muito quente para as fabs existentes. Mas com o filme fino a- bn , diz Hyeon-Jin Shin, a temperatura pode ser reduzida até 400 ° C. Essa temperatura mais baixa deve permitir que o material seja depositado diretamente sobre bolachas de silicone e outros substratos sem precisar refazer as fábricas de bilhões de dólares, conhecidas como fabs, nas quais os chips são fabricados. Ela acredita que isso significa que o a- bn de filme fino pode ser comercializado para fabricação de cavacos muito mais rápido do que outros materiais bidimensionais.

As novas películas amorfas são mais espessas que o grafeno branco padrão, mas apenas ligeiramente. Com três nanômetros, eles estão dentro da faixa de tamanho necessária para formar parte da próxima geração de componentes que abalam os céticos. Eles também são termicamente, mecanicamente e eletricamente estáveis. E eles preservam a ampla faixa de grafeno branco e, portanto, suas propriedades isolantes. Adicione sua simpatia fabulosa ao cálculo e seu futuro parecerá brilhante. Com sorte, então, os opositores à lei de Moore foram manobrados novamente. 

Este artigo apareceu na seção Ciência e tecnologia da edição impressa doThe Economist, sob o título "The incredible shrinking machine"

Fonte: Science & technologyJul 18th 2020 edition

https://www.economist.com/science-and-technology/2020/07/18/a-new-material-helps-transistors-become-vanishingly-small