Nanofios estressados aceleram elétrons nos processadores

Com informações da Agência Fapesp e Paul Scherer Institute - 04/10/2012

Ao esticar ou comprimir as extremidades de um fio de silício, cria-se uma tensão mecânica (estresse) que pode melhorar significativamente as propriedades eletrônicas do material.
[Imagem: Paul Scherrer Institut/ R. Minamisawa]

Tensão que acelera

Nanofios tensionados aumentam velocidade de elétrons, o que pode permitir um impulso extra para os microprocessadores de nova geração, que podem se tornar mais rápidos e consumir menos energia.

Quem conseguiu comprovar a técnica foi o brasileiro Renato Amaral Minamisawa, atualmente realizando suas pesquisas no Instituto Paul Scherrer, na Suíça.

Minamisawa e seus colegas conseguiram produzir nanofios em um substrato de silício com uma tensão mecânica até três vezes maior do que as obtidas por outros grupos de pesquisa.

Filamentos minúsculos, os nanofios de silício são apontados como um dos materiais semicondutores mais promissores para tornar mais eficientes os microprocessadores baseados na tecnologia do silício.

É por isso que há grupos trabalhando nessa tecnologia em vários centros de pesquisas, incluindo locais como o Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) e as universidades de Princeton e de Stanford, nos Estados Unidos, e pelas próprias indústrias de microprocessadores.

Mobilidade dos elétrons

Ao esticar ou comprimir as extremidades de um fio de silício, cria-se uma tensão mecânica (estresse) que pode melhorar significativamente as propriedades eletrônicas do material.

O maior ganho é no aumento significativo da mobilidade dos elétrons - elétrons mais rápidos tornam os transistores e, consequentemente, os microprocessadores mais rápidos e com menor consumo de energia.

Foi em 2003 que a IBM anunciou a construção do primeiro chip com silício tensionado - a tecnologia também atende pelos menos de "silício expandido", "silício estressado", "silício esticado" etc.

Desde então, praticamente todos os microprocessadores usam silício tensionado no canal de transistores.

Porém, existem limitações para aumentar a tensão mecânica do material e para implementar nanofios de silício estressados em componentes eletrônicos.

Renato Minamisawa (direita) e Martin Suess ajustam o equipamento de testes dos nanofios tensionados - o protótipo pode ser visto na tela.
[Imagem: Paul Scherrer Institut/F. Reiser]

Recorde de estresse

Ao utilizar uma combinação de técnicas, Minamisawa desenvolveu nanofios de silício com estresse de até 7,5 Giga Pascal (GP), contra no máximo 2 GP alcançados por outros grupos.

"Batemos o recorde de estresse em nanofios de silício, em comparação com outras tecnologias que foram desenvolvidas para esta finalidade em universidades, instituições de pesquisa e indústrias nos Estados Unidos, Europa e no Japão", disse Minamisawa.

Como material de partida para produzir os nanofios com maior tensão mecânica, os pesquisadores utilizaram um substrato produzido industrialmente com uma camada de silício levemente estressada sobre uma camada de óxido de silício, chamado "silício estressado sobre isolante".

Por meio de técnicas de litografia e de corrosão, eles criaram nanofios de silício suspensos por contatos largos, dando origem a nanofios com 30 nanômetros de largura e 15 nanômetros de espessura.

Nesta nanoestrutura, a tensão mecânica se concentra na menor área de secção (constrição), ou seja, no nanofio.

Desse modo, o nanofio estica enquanto os contatos relaxam da tensão inicial do substrato, multiplicando a tensão aplicada nele.

Com isso, é possível produzir milhares de nanofios com um estado permanente de tensão mecânica bem definida e em diversas escalas.

"Por meio da técnica de litografia, desenvolvemos um método que multiplica o estresse de uma camada de silício já pré-estressada e que é compatível com os métodos de fabricação e materiais utilizados na indústria eletrônica hoje", explicou Minamisawa.

A tecnologia pode ajudar a impulsionar os microprocessadores fotônicos, que trocam dados usando luz em vez de corrente elétrica.
[Imagem: Paul Scherrer Institut/ R. Minamisawa]

Aplicação industrial

De acordo com Minamisawa, a tecnologia está em processo de patenteamento na Europa e pode permitir a fabricação de uma grande variedade de semicondutores com propriedades únicas para aplicações nas áreas de nanoeletrônica, fotônica e fotovoltaica.

Mas, para isso, os pesquisadores vão estudar, agora em um consórcio formado com algumas empresas na Europa, como incorporar os nanofios de silício que desenvolveram em uma estrutura de transístor.

De acordo com Minamisawa, as vantagens de se utilizar nanofios de silício é que eles possibilitam controlar melhor o switch - componente elétrico que pode quebrar um circuito elétrico, interrompendo a corrente ou desviando-a de um condutor para outro - dos componentes eletrônicos.

"A associação da arquitetura de nanofio com o silício estressado permitiria desenvolver transistores mais rápidos e que consomem menos energia", disse.

"É claro que, para essa tecnologia chegar à indústria, existe uma série de barreiras, porque será preciso mudar toda a tecnologia usada hoje, que é extremamente sofisticada. Mas mesmo que não resulte em aplicações em microeletrônica, nossa pesquisa pode ajudar a demonstrar os limites de performance do silício como um material para microeletrônica", afirmou Minamisawa.

A técnica foi utilizada inicialmente pelos pesquisadores do Instituto Paul Scherrer no desenvolvimento de um laser de germânio, que pode ser incorporado nos chips de silício e abre a perspectiva de os microprocessadores trocarem dados usando luz em vez de corrente elétrica.

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