Ding Wang e Minming He, pesquisadores da Universidade de Michigan, estão desenvolvendo transistores de alta mobilidade de elétrons (HEMTs) utilizando um novo material de nitreto, o ScAlN. Esse material se destaca por suas propriedades ferroelétricas, que permitem que o transistor altere seu comportamento dinamicamente. Isso significa que o mesmo dispositivo pode funcionar como vários amplificadores, reduzindo a área dos circuitos, o custo e o consumo de energia.
Os HEMTs tradicionais já são conhecidos por suas capacidades de amplificação de sinal, alta velocidade de comutação e baixo ruído, características ideais para amplificadores usados em comunicações de alta frequência, como em torres de celular e roteadores Wi-Fi. O diferencial do FeHEMT (transistor ferroelétrico de alta mobilidade de elétrons), desenvolvido pela equipe de Michigan, é a possibilidade de reconfiguração, graças à polarização elétrica do ScAlN.
Essa polarização elétrica, semelhante ao magnetismo, permite que o transistor troque suas funções de forma eficiente, o que pode ser extremamente benéfico em sistemas de comunicação por radiofrequência e micro-ondas, além de dispositivos de memória em sistemas eletrônicos e computacionais de última geração.
Outro aspecto importante dessa pesquisa é a integração do ScAlN com o nitreto de gálio (GaN), um semicondutor da próxima geração que oferece velocidades até 100 vezes maiores que o silício, além de alta eficiência e baixo custo. Isso faz do GaN um candidato a substituir o silício em dispositivos eletrônicos futuros.
O novo transistor foi criado utilizando epitaxia de feixe molecular, um método sofisticado de crescimento de cristais semicondutores, e já há pedidos de patente em andamento pela Universidade de Michigan.
Essa inovação representa um avanço significativo na eletrônica e poderá transformar a forma como dispositivos de comunicação e memória são desenvolvidos, oferecendo mais funcionalidade, eficiência e redução de custos. Com a capacidade de integrar esses novos transistores em plataformas de semicondutores de nitreto, há potencial para um impacto profundo em várias aplicações tecnológicas.
A pesquisa inicial foi financiada pelo Escritório de Pesquisa Naval dos EUA e pelo Blue Sky Initiative da Faculdade de Engenharia da Universidade de Michigan, e os dispositivos foram fabricados no Lurie Nanofabrication Facility e estudados no Michigan Center for Materials Characterization.
Um novo avanço tecnológico na Universidade de Michigan pode transformar a forma como dispositivos de comunicação em smartphones são fabricados. Pesquisadores liderados por Zetian Mi, professor de engenharia elétrica e de computação, desenvolveram um transistor reconfigurável usando um material inovador, o ScAlN, que combina nitreto de alumínio com escândio. Este material apresenta propriedades ferroelétricas, ou seja, ele pode manter uma polarização elétrica, semelhante ao magnetismo, mas com a capacidade de alterar a orientação das cargas elétricas dentro do material.
Essas propriedades fazem com que o transistor, chamado de FeHEMT (transistor ferroelétrico de alta mobilidade de elétrons), ofereça não apenas alta velocidade de comutação e baixo ruído, mas também a capacidade de reconfiguração dinâmica. Isso significa que o mesmo dispositivo pode funcionar como vários componentes diferentes, como amplificadores ou filtros, tudo em uma única plataforma, o que pode reduzir significativamente o tamanho e o consumo de energia dos dispositivos.
O desenvolvimento do FeHEMT marca uma evolução significativa em relação aos transistores tradicionais de alta mobilidade de elétrons (HEMTs), amplamente utilizados em comunicações sem fio devido à sua capacidade de amplificar sinais com alta eficiência. A introdução das propriedades ferroelétricas adiciona um novo nível de funcionalidade, permitindo que o transistor seja programado para se comportar de diferentes maneiras, conforme necessário. Essa flexibilidade é particularmente valiosa em comunicações de radiofrequência e micro-ondas, bem como em dispositivos de memória avançados.
O material ScAlN, que é essencial para esse novo tipo de transistor, também abre portas para a integração com semicondutores de nitreto de gálio (GaN). O GaN já é considerado uma alternativa promissora ao silício devido à sua alta eficiência e velocidade de operação, podendo alcançar até 100 vezes a velocidade dos semicondutores de silício. A combinação de GaN com ScAlN em dispositivos eletrônicos pode resultar em comunicações mais rápidas e eficientes, além de custos potencialmente mais baixos.
O processo de fabricação do novo transistor envolve a epitaxia por feixe molecular, uma técnica de crescimento de cristais semicondutores que permite o controle preciso das camadas atômicas do material. Este método é o mesmo usado para fabricar os cristais semicondutores que impulsionam os lasers em leitores de CD e DVD, demonstrando a sofisticação e o potencial de aplicação desse novo desenvolvimento.
Os pesquisadores já solicitaram a proteção por patente para essa inovação, destacando a relevância e o potencial impacto do FeHEMT no campo da eletrônica. Esse avanço também foi reconhecido pela comunidade científica, com o estudo sendo destaque na revista Applied Physics Letters, reforçando a importância da pesquisa para o futuro dos dispositivos eletrônicos.
A aplicação deste novo tipo de transistor pode ser vasta. Em dispositivos móveis, ele poderia permitir a criação de smartphones mais poderosos, com melhor gerenciamento de energia e maior capacidade de processamento. Em sistemas de comunicação, a eficiência e a flexibilidade dos FeHEMTs poderiam levar a melhorias significativas em tecnologias de rede sem fio, incluindo 5G e futuras gerações.
Além disso, o potencial de reduzir o consumo de energia e o custo de produção dos dispositivos poderia ter um impacto ambiental positivo, ao diminuir a demanda por materiais e energia durante a fabricação e operação dos dispositivos.
A pesquisa que levou a este desenvolvimento foi financiada pelo Escritório de Pesquisa Naval dos EUA e pela iniciativa Blue Sky da Faculdade de Engenharia da Universidade de Michigan, refletindo o interesse de instituições importantes em tecnologias que podem revolucionar o mercado de eletrônicos.
Em resumo, a criação do FeHEMT representa um passo importante para a eletrônica moderna, possibilitando a integração de múltiplas funções em um único dispositivo compacto e eficiente. Com o desenvolvimento contínuo e a eventual comercialização desta tecnologia, podemos esperar ver mudanças significativas na forma como os dispositivos de comunicação e computação são projetados e utilizados no futuro próximo.