Pesquisadores da Unicamp desenvolveram pela primeira vez no Brasil, com apoio de colegas da USP, um Transistor FinFET, mais popularmente conhecido como 3D. O dispositivo, que ainda está em fase de protótipo, proporciona maior capacidade de processamento e de memória para equipamentos eletrônicos, como tablets, notebooks, televisores etc. “A diferença fundamental entre um transistor planar e um 3D é que no primeiro a corrente é transmitida através de um plano da superfície do silício somente, enquanto no segundo a corrente passa por três planos, um da superfície e dois das paredes verticais, aumentando o desempenho, em tese, em três vezes”, explica José Alexandre Diniz, professor da Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação (FEEC) e diretor do Centro de Componentes Semicondutores (CCS), ambos da Unicamp, um dos integrantes do grupo de cientistas.

O conceito do Transistor 3D é simples. Tome-se por analogia uma rua com somente uma faixa de rolamento. Agora, imagine que essa mesma via foi reformulada e ganhou mais duas faixas. Nesse caso, ela passa a ter maior capacidade de tráfego de veículos. Com o disposto eletrônico acontece o mesmo. Obviamente, o fluxo em questão não é de carros, mas de sinais elétricos. “Com esse tipo de tecnologia, nós tornamos os transistores menores, mais leves e mais eficientes. Essas características, por sua vez, também tornarão os circuitos integrados [chips] que compõem os equipamentos eletrônicos mais eficientes”, detalha Diniz.

De acordo com o docente, brevemente essa nova geração de transistores deverá estar incorporada aos equipamentos utilizados no dia a dia das pessoas. Ele chama a atenção, porém, para o fato de que, no Brasil, a tecnologia ainda é desenvolvida em escala laboratorial. Ela é similar à tecnologia usada para fabricar os transistores dos atuais processadores, como o Ivy Bridge, lançado em 2012 pela Intel. “A diferença entre um e outro está basicamente no tamanho. Aqui na Unicamp nós conseguimos produzir transistores nas dimensões de 50 e 100 nanômetros. O da Intel tem 22 nanômetros. Nosso objetivo é chegar, com o tempo, a um dispositivo com a dimensão de 10 nanômetros”, adianta.

A progressiva miniaturização dos transistores, conforme Diniz, traz vantagens e desvantagens. Entre os pontos positivos está o fato de que, ao se reduzir o tamanho dos dispositivos, diminui-se também a resistência e a capacitância deles. Assim, é possível usar tensões cada vez menores para alimentá-los. “Quando eu comecei a estudar, utilizava-se uma tensão de alimentação de 5 volts. Hoje, ela caiu para 1 volt”, diz. É por isso que a bateria de um ultrabook suporta, por exemplo, até nove horas de uso, pois gasta menos energia. Ocorre, no entanto, que os dispositivos estão chegando ao limite mínimo de tamanho. Se ficarem muito menores do que já estão, eles podem perder suas funções, o que não é interessante.

Uma das alternativas encontradas pelos cientistas para tornar os transistores mais eficientes, sem “encolhê-los” ainda mais, foi justamente aproveitar melhor a sua já diminuta superfície. Ao criar dois planos verticais de paredes laterais no dispositivo, eles conseguiram fazer com que a corrente passasse a transitar, como já mencionado, por três caminhos em vez de apenas um. Na indústria, informa Diniz, isso é feito através de um processo chamado litografia óptica. Este consiste na transferência de um padrão desenhado em uma máscara (espécie de matriz) para um material fotossensível, utilizando radiação ultravioleta. Dito de modo simplificado, é como “imprimir”, em alta escala, os componentes em 3D numa lâmina de silício.

O CCS da Unicamp conta com esse tipo de equipamento, mas com resolução mínima de 350 nanômetros, cerca de pelo menos uma ordem de grandeza maior do que a necessária para produzir esses dispositivos nanométricos. Todavia, o Centro dispõe de uma máquina que atua com feixes de íons focalizados, que realiza trabalho semelhante, numa resolução de 30 nanômetros, que é superior aos 22 nanômetros alcançados pela indústria. “Esse feixe de íons tem energia suficiente para remover material da placa de silício. Assim, nós podemos desenhar a estrutura do transistor, fazendo com que ela deixe de ser plana e passe a apresentar relevos (paredes laterais). Assim, o dispositivo torna-se 3D. É como usar o paintbrush [programa usado para desenhar e editar imagens] para desenhar no computador”, compara Diniz.

O professor da FEEC e diretor do CCS observa, no entanto, que o uso desse processo exige muito cuidado, pois, onde o feixe de íons atinge, ocorre a remoção de material. “Não podemos remover mais material do que o desejado. Temos que ser precisos, para não danificar a região por onde a corrente passará”, detalha. De acordo com ele, o dispositivo 3D foi desenvolvido no contexto de um projeto temático financiado pela Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (Fapesp), coordenado pelo professor João Antônio Martino, da Escola Politécnica da USP, e também no âmbito das atividades do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia de Sistemas Micro e Nanoeletrônicos (INCT-NAMITEC), coordenado pelo professor Jacobus W. Swart, da FEEC/Unicamp. O INTC-NAMITEC é um dos 123 órgãos criados pelo Programa de Institutos Nacionais de Ciência e Tecnologia do Ministério da Ciência e Tecnologia (MCT).

A cooperação entre os profissionais dessas instituições, prossegue Diniz, tem sido fundamental para o avanço das pesquisas. “Temos dialogado e trocado experiências cotidianamente, numa interação muito positiva”, considera. Na Unicamp especificamente, o docente lidera um grupo composto por dois alunos de doutorado e um de mestrado. Um dos doutorandos é Lucas Petersen Barbosa Lima, que está atualmente no Interuniversity Microelectronics Centre (IMEC), da Bélgica, onde realiza parte dos seus estudos, por meio de um programa de doutorado sanduíche.

Além de trabalhar no desenvolvimento do primeiro Transistor 3D do Brasil, Lima também tem investigado o uso do nitreto de titânio, um material cerâmico, como eletrodo de porta que controla a passagem de corrente pelo canal do dispositivo 3D, de modo a reduzir a resistência do chaveamento [O transistor funciona como uma chave eletrônica em um processador. Quando a chave fecha, a corrente passa. Quando abre, a corrente é interrompida]. “Foi justamente este trabalho que chamou a atenção do IMEC, um instituto que produz transistores para toda a Europa. No segundo semestre, este aluno estará de volta. O conhecimento que ele trará do exterior será importante para a continuidade das pesquisas”, avalia o docente da FEEC. Além de Lima, também integram o grupo liderado pelo professor Diniz a doutoranda Juliana Miyoshi e o mestrando Marcos Vinicius dos Santos.

Desenvolvido o primeiro protótipo do Transistor 3D, o próximo passo dos pesquisadores será a construção de uma segunda versão, com o apoio das agências financiadoras ou com a parceria de empresas privadas. O objetivo, conforme adiantou o professor João Antonio Martino, é chegar a um dispositivo que possa ser transformado em produto comercial. No âmbito do NAMITEC, existe a proposta de aplicar o dispositivo em sensores de hidrogênio, que teriam a função de promover o monitoramento ambiental e de atividades industriais.

RECURSOS HUMANOS
As pesquisas em torno do primeiro Transistor 3D do Brasil têm duas dimensões fundamentais, conforme descreve o docente da Unicamp. A primeira delas é a formação de recursos humanos qualificados para trabalhar numa área tão importante, e especialmente estratégica para o Brasil. A segunda diz respeito ao esforço para fazer com que o país deixe de ser tecnologicamente dependente de outras nações. “Quando desenvolvemos um protótipo, nosso objetivo é olhar para dentro dele e aprender todos os detalhes do seu funcionamento. É como se estivéssemos abrindo uma caixa-preta. O domínio desse conhecimento é o primeiro passo para nos tornarmos independentes. A meta é conseguirmos produzir nossos próprios componentes eletrônicos, sem ter a necessidade de recorrer à importação”, pondera.

Embora não seja trivial, o cumprimento desse desafio traria inúmeras vantagens ao país. O fortalecimento da indústria eletroeletrônica nacional geraria novos postos de trabalho, incrementaria a renda e contribuiria para reduzir o déficit da balança comercial desse segmento. De acordo com dados da Associação Brasileira da Indústria Elétrica e Eletrônica (Abinee), o saldo entre a importação e exportação de componentes eletrônicos projetado para 2013 deverá gerar um déficit ao Brasil da ordem de US$ 35,5 bilhões, 9,2% acima do verificado no ano anterior (US$ 32,5 bilhões).