El fósforo marca la pauta en transistores de alto rendimiento

Los semiconductores de fósforo ultrafinos que se vuelven metálicos cuando se apilan pueden abordar los problemas de resistencia y aumentar el rendimiento del transistor.

Una forma azul de fósforo ultrafino recién descubierta, con propiedades electrónicas que se pueden ajustar para mejorar la inyección de portadores de carga (con carga negativa y positiva) en los transistores, está preparada para impulsar los dispositivos electrónicos de próxima generación.

Se espera que los semiconductores bidimensionales, como el grafeno y los dicalcogenuros de metales de transición, impulsen la miniaturización de los dispositivos electrónicos al proporcionar canales activos ultrafinos para el transporte de portadores de carga en transistores de efecto de campo (FET).

Esenciales para los circuitos modernos, los FET se utilizan para influir en el flujo de corriente a través de sus canales mediante el voltaje aplicado y se comportan como interruptores o amplificadores controlados electrónicamente. Sin embargo, surge resistencia eléctrica en las interfaces entre los canales semiconductores y los electrodos metálicos. Esto limita la inyección de carga en los dispositivos y evita que los FET alcancen su máximo potencial.

«Reducir esta resistencia de contacto mejorará la capacidad de entrega actual y mejorará el rendimiento de los FET, lo que allanará el camino para la futura microelectrónica», dice Shubham Tyagi, Ph.D. estudiante del grupo de Udo Schwingenschlögl.

Ahora, el equipo de Schwingenschlögl ha diseñado un FET sin unión utilizando el fosforeno azul bidimensional recientemente descubierto como único material electroactivo. El fosforeno azul en sí mismo es un semiconductor, pero se convierte en metal cuando se apila en una bicapa.

«La capacidad del fosforeno azul para cambiar sus propiedades electrónicas en función del apilamiento es crucial para nuestro dispositivo», dice Tyagi. «Una vez que obtuvimos una orientación de cristal que brinda una alta movilidad de portadores a través del canal, confiamos en que lograríamos resultados positivos porque la resistencia de contacto se aborda mediante el diseño sin uniones», agrega.

En el corazón del dispositivo sin uniones hay una monocapa de fosforeno azul que, actuando como canal, se encuentra entre dos bicapas de fosforeno azul metálico que funcionan como electrodos. El canal y los electrodos están hechos del mismo material, lo que da como resultado una estructura continua, lo que reduce la resistencia.

Usando simulaciones por computadora, los investigadores investigaron el transporte cuántico en el diseño FET propuesto para dos direcciones diferentes: sillón y zigzag. En ambas configuraciones, el FET medió efectivamente la transferencia de electrones entre el canal y los electrodos mientras cumplía con los criterios de conmutación y amplificación. Superó a los dispositivos que utilizan otros materiales bidimensionales, como el fosforeno negro y el disulfuro de molibdeno monocapa.

«En el futuro, queremos abordar diferentes formas de mejorar el rendimiento de FET», dice Tyagi.

Los investigadores están trabajando para reducir la fuga de corriente entre la puerta del transistor y los electrodos utilizando materiales de van der Waals, que consisten en láminas que se mantienen unidas mediante interacciones débiles. También están explorando formas de extender sus ideas a materiales magnéticos para desarrollar dispositivos espintrónicos.

El estudio se publica en la revista Materiales y aplicaciones npj 2D.