Fabricación y caracterización de membranas Ferroeléctricas Forestantes de HZO. Crédito: Nature Electronics (2025). Doi: 10.1038/s41928-025-01398-y
Para reducir aún más el tamaño de los dispositivos electrónicos, al tiempo que mejora su rendimiento y eficiencia energética, los ingenieros electrónicos han estado tratando de identificar materiales alternativos que superan a Silicon y otros semiconductores convencionales. Los semiconductores bidimensionales (2D), los materiales que tienen solo unos pocos átomos de espesor y tienen una conductividad eléctrica sintonizable, se encuentran entre los candidatos más prometedores para la fabricación de dispositivos más pequeños y de mejor rendimiento.
Estudios anteriores mostraron que estos materiales podrían usarse para fabricar transistores miniaturizados, componentes electrónicos que amplifican o cambian las señales eléctricas, particularmente los transistores de efectos de campo (FET). Estos son transistores que controlan el flujo de corriente eléctrica utilizando un campo eléctrico.
Sin embargo, para operar de manera confiable, los FET también deben integrar una capa aislante que separe el llamado electrodo de puerta (es decir, el terminal que regula el flujo de corriente) del canal (es decir, la vía a través de la cual fluye la corriente eléctrica). Para permitir un mayor control sobre la puerta, esta capa aislante, conocida como dieléctrica de la puerta, debe tener una constante dieléctrica alta (κ), o en otras palabras, debería almacenar efectivamente energía eléctrica.
Desafortunadamente, la integración confiable de los semiconductores 2D con aisladores altos de κ hasta ahora ha demostrado ser difícil. Esto, junto con otros desafíos técnicos, actualmente está evitando la adopción generalizada de FET basados en materiales 2D.
Los investigadores de National Chung Hsing, la Universidad de Kansai, la Universidad Nacional de Cheng Kung y otros institutos introdujeron recientemente una nueva estrategia para usar de manera confiable membranas independientes hechas de óxido de circonio Hafnium (HF0.5ZR0.5O2; HZO) como diezéctricos de alta puerta en 2D FET. Su enfoque propuesto, descrito en un artículo publicado En Nature Electronics, abre nuevas posibilidades para la creación de transistores pequeños y de eficiencia energética, así como sistemas de lógica en memoria de alto rendimiento.
“Los semiconductores 2D podrían usarse como material de canal en transistores miniaturizados con un alto control de puerta”, escribió Che-Yi Lin, Bo-Cia Chen y sus colegas en su artículo. “Sin embargo, la falta de aisladores que son compatibles con materiales bidimensionales y adecuados para la integración en un desarrollo de flujo de proceso totalmente escalable. Mostramos que las membranas independientes de HF0.5ZR0.5O2 o HZO pueden integrarse con semiconductores dos dimensionales como un alto contenido de κ”.
Como parte de su estudio, los investigadores crearon por primera vez membranas independientes basadas en HZO. En este contexto, el término “independiente” significa que las membranas no necesitan cultivarse directamente en un sustrato, sino que pueden transferirse de forma independiente.
“Las membranas HZO se pueden variar en un grosor de 5 a 40 nm, y se transferirán al disulfuro de molibdeno (MOS2) para crear el dieléctrico de la puerta superior en los transistores de efectos de campo”, escribieron los autores.
“Una membrana HZO de 20 nm de espesor exhibe una constante dieléctrica de 20.6 ± 0.5 y una corriente de fuga (a 1 mv cm-1) de menos de 2.6 × 10−6 A cm-2, por debajo de los requisitos de la hoja de ruta de tecnología internacional para los semiconductores, así como el comportamiento feroeléctrico típico. Subshold Swing por debajo de 60 MV Dec – 1 en cuatro órdenes de corriente “.
Para demostrar el potencial de su estrategia de fabricación, los investigadores lo usaron para crear con éxito una variedad de componentes electrónicos. Se encontró que los dispositivos resultantes funcionan notablemente bien, superando muchos componentes electrónicos basados en semiconductores 2D desarrollados en el pasado.
“Utilizamos los transistores para crear un inversor, puertas lógicas y un circuito sumador completo de 1 bits”, escribieron los autores. “También creamos un transistor MOS2 con una longitud de canal de 13 nm, que exhibe una relación de encendido/apagado de más de 108 y un columpio subcoldio de 70 mV dec – 1”.
Este reciente estudio de Che-Yi Lin, Bo-Cia Chen y sus colegas, y el nuevo enfoque que introdujeron, podría contribuir al avance de los transistores y otros dispositivos basados en semiconductores 2D. Como parte de sus futuros estudios, los investigadores podrían refinar su enfoque, al tiempo que evalúa aún más su confiabilidad y compatibilidad con los procesos de fabricación electrónica existentes.
Escrito para usted por nuestro autor Ingrid Fadellieditado por Gaby Clarky verificado y revisado por Robert Egan—Este artículo es el resultado de un trabajo humano cuidadoso. Confiamos en lectores como usted para mantener vivo el periodismo científico independiente. Si este informe le importa, considere un donación (especialmente mensual). Obtendrá una cuenta sin anuncios como agradecimiento.
Más información: Che-Yi Lin et al, Integración de las membranas independientes de óxido de circonio Hafnium en transistores bidimensionales como una electrónica dieléctrica ferroeléctrica de alto κ (2025). Doi: 10.1038/s41928-025-01398-y.
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Cita: las membranas de óxido de circonio de Hafnium independiente pueden habilitar transistores 2D avanzados (2025, 31 de julio) Recuperado el 31 de julio de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-07-freestanding-dafnium-zirconio-membranes.html
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