El silicio ha sido durante décadas el material fundamental de la industria de semiconductores, pero se está acercando rápidamente a límites físicos. A medida que las dimensiones de los transistores se reducen hacia la escala atómica, los diseños basados en silicio enfrentan restricciones fundamentales que amenazan una miniaturización adicional, y con la demanda global de capacidad de cómputo en aumento en medio de la expansión de las cargas de trabajo de IA y la construcción de centros de datos, la presión para identificar un material sucesor viable se ha intensificado en toda la industria. Un avance recientemente informado por TSMC y National Yang Ming Chiao Tung University (NYCU) apunta a una posible vía más allá de esos límites.

El equipo de investigación fabricó un transistor de compuerta superior de disulfuro de molibdeno (MoS₂) monocapa que incorpora una capa de interfaz epitaxial de apenas 0,42 nanómetros de espesor. Para ponerlo en contexto, una sola hebra de ADN humano mide aproximadamente 2,5 nanómetros de ancho, lo que hace que esta capa tenga alrededor de una sexta parte de ese ancho.

Diseñar alrededor de la dispersión de electrones y la fuga

Dos obstáculos prácticos han dificultado durante mucho tiempo el desarrollo de transistores 2D funcionales: la dispersión de electrones, en la que los portadores de carga se desvían por imperfecciones en la interfaz del material, y la corriente de fuga, en la que la electricidad fluye por caminos no previstos. El equipo de TSMC–NYCU abordó ambos problemas depositando una capa epitaxial ultradelgada de aluminio sobre una monocapa de MoS₂ crecida mediante deposición química de vapor. Luego oxidaron ese aluminio para formar un buffer de óxido de aluminio (Al₂O₃).

Encima del buffer, los investigadores aplicaron un dieléctrico de compuerta de óxido de hafnio de alta κ. La pila dieléctrica combinada logró un espesor equivalente de óxido de aproximadamente 1 nanómetro, un parámetro ampliamente considerado como una referencia crítica para los dispositivos semiconductores de próxima generación.

Los transistores fabricados mostraron baja corriente de fuga e histéresis mínima, el fenómeno en el que la salida de un dispositivo se retrasa respecto de su señal de entrada. Los dispositivos con longitudes de canal de alrededor de 100 nanómetros alcanzaron una transconductancia máxima de 0,45 mS/μm. La transconductancia —la medida de cuán eficientemente un transistor convierte cambios de voltaje en cambios de corriente— es un indicador clave de rendimiento, y valores más altos señalan un mejor funcionamiento.

Los hallazgos se publicaron en Nature Electronics. La investigación fue dirigida por la Dra. Iuliana Radu, de TSMC Corporate Research, junto con los profesores de NYCU Wen-Hao Chang y Tsung-En Lee.

Por qué los materiales 2D importan

Los materiales bidimensionales como MoS₂ ofrecen una alternativa prometedora a medida que el escalamiento del silicio se queda sin margen. El International Roadmap for Devices and Systems (IRDS), el organismo de la industria que proyecta las direcciones de la tecnología de semiconductores, ha identificado los materiales de canal 2D como candidatos principales para nodos de transistores más allá de la generación de 2 nanómetros. Una monocapa de MoS₂ tiene de forma natural un espesor de aproximadamente 0,7 nanómetros, lo que le otorga un control electrostático inherentemente más estricto a dimensiones extremadamente pequeñas que el que puede ofrecer el silicio. Intel y Samsung también han divulgado públicamente programas de investigación orientados a transistores de canal 2D, lo que subraya que se trata de un esfuerzo de toda la industria y no de una iniciativa de una sola empresa.

Camino hacia la adopción industrial

De manera crucial, el MoS₂ de este estudio se creció mediante deposición química de vapor, una técnica ya desplegada a escala industrial. Los pasos de deposición epitaxial de aluminio y oxidación, igualmente, no requieren categorías de equipos de fabricación fundamentalmente nuevas, lo que podría facilitar su integración eventual en la planta de producción.

El trabajo se alinea con el impulso más amplio de la industria para llevar los transistores 2D a la producción en masa. En junio de 2026, TSMC, imec y ASML anunciaron esfuerzos colaborativos sobre la integración de transistores 2D de 300 mm, una señal de que los principales actores de la infraestructura de semiconductores consideran esta clase de material como un candidato serio para futuros nodos de proceso.