Coreia do Sul faz progressos significativos em transistores de perovskita tipo p, com potencial para uso em DRAM de computação IA.

Uma equipe de pesquisa sul-coreana alcançou um avanço inovador no campo dos semicondutores, desenvolvendo com sucesso transistores de perovskita do tipo p com desempenho e estabilidade drasticamente melhorados, que devem resolver o principal desafio de longa data que limita o desenvolvimento de chips de baixo consumo e alto desempenho, além de abrir novos caminhos para dispositivos de memória de próxima geração, como DRAM empilhada verticalmente para computação de IA.

De acordo com o jornal sul-coreano Herald, na quinta-feira, a equipe de pesquisa liderada pelo professor Noh Yong-young da Universidade de Ciência e Tecnologia de Pohang (POSTECH) anunciou que o transistor de perovskita do tipo p baseado em filme de césio-estanho-iodo (CsSnI₃) desenvolvido por eles apresenta uma mobilidade de buracos que ultrapassa 50 cm²/V·s e uma relação de comutação de corrente superior a 100 milhões (10⁸), atingindo o nível mais alto global para transistores de perovskita do tipo p. Os resultados da pesquisa foram publicados na renomada revista acadêmica internacional Nature.

O principal avanço da pesquisa reside na resolução do problema de estabilidade ao ar que há muito tempo aflige os semicondutores de perovskita à base de estanho — o novo dispositivo pode operar de forma estável por mais de 4 horas ao ar e manter seu desempenho inicial por mais de um mês sob condições de envelhecimento acelerado a 100°C, enquanto dispositivos similares anteriores falhavam em poucos minutos ao ar.

A equipe de pesquisa afirmou que esse resultado acelerará o processo de aplicação prática de transistores de filme fino de perovskita do tipo p em circuitos integrados, sendo de grande importância para áreas como DRAM empilhada verticalmente para computação de IA, circuitos de driver de exibição de nova geração e dispositivos vestíveis.

Transistores do tipo p: um dos "dez maiores desafios futuros" no campo dos semicondutores

Os transistores são as unidades básicas dos chips, divididos em tipo n (que transportam elétrons) e tipo p (que transportam buracos, os vazios deixados pela saída de elétrons). A realização de semicondutores de alto desempenho e baixo consumo depende do equilíbrio de desempenho entre os dois tipos de transistores. No entanto, melhorar o desempenho dos transistores do tipo p sempre foi extremamente difícil, tendo sido listado pelo Ministério da Ciência e Tecnologia da Informação e Comunicação da Coreia do Sul como um dos "dez maiores desafios futuros no campo dos semicondutores".

Materiais de perovskita à base de estanho têm sido considerados candidatos para resolver esse desafio devido ao seu transporte suave de buracos e desempenho comparável aos semicondutores de óxido existentes. No entanto, sua maior desvantagem é a extrema sensibilidade ao ar: íons de estanho não reagidos (Sn²⁺) remanescentes na superfície do material oxidam rapidamente ao contato com o ar, gerando um grande número de defeitos que obstruem o fluxo de carga, resultando em uma queda drástica no desempenho do semicondutor.

Estratégia de "reconstrução superficial volátil" supera o gargalo de estabilidade

A equipe de Noh Yong-young propôs uma solução chamada "reconstrução superficial volátil".

Após aplicar um tratamento com acetato de potássio (KAc) na superfície do semicondutor de CsSnI₃, os íons de estanho não reagidos que antes causavam degradação do desempenho são convertidos em um composto volátil, o acetato de estanho (Sn(Ac)₂), que evapora naturalmente no ar. Após a saída dos íons de estanho, o iodeto de potássio (KI) é gerado espontaneamente in situ, formando uma "camada de autodefesa" que protege o semicondutor da erosão do ambiente externo.

Este processo reduz significativamente a tensão limite do dispositivo, resultando em uma mobilidade de buracos superior a 50 cm²/V·s e uma relação de comutação de corrente acima de 10⁸. Em termos de estabilidade, o novo dispositivo pode operar continuamente por mais de 4 horas ao ar e manter o desempenho inicial por mais de um mês sob condições de envelhecimento acelerado a 100°C, representando um salto qualitativo em relação à estabilidade de dispositivos similares anteriores.

Perspectivas de aplicação: armazenamento para IA, drivers de exibição e dispositivos vestíveis

O professor Noh Yong-young afirmou que esta é a primeira vez no mundo que resultados sobre transistores de filme fino de perovskita do tipo p são publicados na Nature, graças ao apoio contínuo da Samsung Display e do Ministério da Ciência e Tecnologia da Informação e Comunicação da Coreia do Sul nos últimos seis anos.

Ele destacou que esta pesquisa resolveu o problema de longa data de baixa estabilidade dos semicondutores de perovskita à base de estanho, impulsionando o estabelecimento da estabilidade de longo prazo dos transistores de filme fino de perovskita do tipo p e sua aplicação em circuitos integrados. Em termos de direções de aplicação, essa tecnologia tem o potencial de se tornar uma base importante para tecnologias centrais da indústria eletrônica futura, como dispositivos de memória DRAM empilhada verticalmente para computação de IA, circuitos de driver de exibição de nova geração, dispositivos vestíveis e semicondutores de alta integração.

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