Al meer dan een decennium, ingenieurs hebben de finish in de race in de gaten gehouden om de grootte van componenten in geïntegreerde circuits te verkleinen. Ze wisten dat de natuurwetten een drempel van 5 nanometer hadden vastgesteld voor de grootte van transistorpoorten bij conventionele halfgeleiders, ongeveer een kwart van de grootte van high-end 20-nanometer-gatetransistors die nu op de markt zijn.

Sommige wetten zijn gemaakt om gebroken te worden, of op zijn minst uitgedaagd.

Een onderzoeksteam onder leiding van faculteitswetenschapper Ali Javey van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Department of Energy heeft precies dat gedaan door een transistor te maken met een werkende poort van 1 nanometer. Ter vergelijking, een streng mensenhaar is ongeveer 50, 000 nanometer dik.

"We hebben de kleinste tot nu toe gerapporteerde transistor gemaakt, " zei Javey, een hoofdonderzoeker van het Electronic Materials-programma in de Materials Science Division van Berkeley Lab. "De poortlengte wordt beschouwd als een bepalende dimensie van de transistor. We demonstreerden een 1-nanometerpoorttransistor, waaruit blijkt dat met de keuze van de juiste materialen, er is veel meer ruimte om onze elektronica te verkleinen."

De sleutel was om koolstofnanobuisjes en molybdeendisulfide (MoS .) te gebruiken ₂ ), een motorsmeermiddel dat gewoonlijk wordt verkocht in auto-onderdelenwinkels. MoS ₂ maakt deel uit van een familie van materialen met een enorm potentieel voor toepassingen in LED's, lasers, nanoschaaltransistors, zonnepanelen, en meer.

De bevindingen zullen verschijnen in het 7 oktober nummer van het tijdschrift Wetenschap . Andere onderzoekers in dit artikel zijn onder meer Jeff Bokor, een facultaire senior wetenschapper bij Berkeley Lab en een professor aan UC Berkeley; Chenming Hu, een professor aan UC Berkeley; Maan Kim, een professor aan de Universiteit van Texas in Dallas; en H.S. Filip Wong, een professor aan de Stanford University.

De ontwikkeling zou de sleutel kunnen zijn om de voorspelling van Intel-medeoprichter Gordon Moore levend te houden dat de dichtheid van transistors op geïntegreerde schakelingen elke twee jaar zou verdubbelen. waardoor de prestaties van onze laptops worden verbeterd, mobieltjes, televisies, en andere elektronica.

"De halfgeleiderindustrie heeft lang aangenomen dat elke poort onder de 5 nanometer niet zou werken, dus alles daaronder werd niet eens overwogen, " zei hoofdauteur Sujay Desai, een afgestudeerde student in Javey's lab. "Dit onderzoek toont aan dat poorten van minder dan 5 nanometer niet mogen worden verdisconteerd. De industrie heeft elk laatste beetje capaciteit uit silicium geperst. Door het materiaal te veranderen van silicium naar MoS2, we kunnen een transistor maken met een poort die slechts 1 nanometer lang is, en bedien het als een schakelaar."

Wanneer 'elektronen uit de hand lopen'

Transistors bestaan ​​uit drie klemmen:een bron, een afvoer, en een poort. Stroom vloeit van de bron naar de afvoer, en die stroom wordt gecontroleerd door de poort, die in- en uitschakelt als reactie op de aangelegde spanning.

Zowel silicium als MoS2 hebben een kristallijne roosterstructuur, maar elektronen die door silicium stromen zijn lichter en ondervinden minder weerstand in vergelijking met MoS2. Dat is een zegen als de poort 5 nanometer of langer is. Maar onder die lengte, een kwantummechanisch fenomeen genaamd tunneling treedt in werking, en de poortbarrière is niet langer in staat om te voorkomen dat de elektronen van de bron naar de afvoerterminals binnenvallen.

"Dit betekent dat we de transistors niet kunnen uitschakelen, "zei Desai. "De elektronen zijn niet meer onder controle."

Omdat elektronen die door MoS . stromen ₂ zijn zwaarder, hun stroom kan worden geregeld met kleinere poortlengtes. MoS ₂ kan ook worden verkleind tot atomair dunne platen, ongeveer 0,65 nanometer dik, met een lagere diëlektrische constante, een maat die het vermogen van een materiaal om energie op te slaan in een elektrisch veld weergeeft. Deze beide eigenschappen, naast de massa van het elektron, helpen de controle van de stroomstroom in de transistor te verbeteren wanneer de poortlengte wordt teruggebracht tot 1 nanometer.

Toen ze zich eenmaal op MoS . hadden gevestigd ₂ als het halfgeleidermateriaal, het was tijd om de poort te bouwen. Een structuur van 1 nanometer maken, het blijkt, is geen geringe prestatie. Conventionele lithografietechnieken werken niet goed op die schaal, dus wendden de onderzoekers zich tot koolstofnanobuisjes, holle cilindrische buizen met een diameter zo klein als 1 nanometer.

Vervolgens maten ze de elektrische eigenschappen van de apparaten om aan te tonen dat de MoS2-transistor met de koolstofnanobuispoort de elektronenstroom effectief regelde.

"Dit werk demonstreerde de kortste transistor ooit, " zei Javey, die ook een UC Berkeley-hoogleraar elektrotechniek en computerwetenschappen is. "Echter, het is een proof of concept. We hebben deze transistoren nog niet op een chip gepakt, en we hebben dit nog niet miljarden keren gedaan. We hebben ook geen zelf-uitgelijnde fabricageschema's ontwikkeld om parasitaire weerstanden in het apparaat te verminderen. Maar dit werk is belangrijk om aan te tonen dat we niet langer beperkt zijn tot een poort van 5 nanometer voor onze transistors. De wet van Moore kan nog een tijdje doorgaan door een goede engineering van het halfgeleidermateriaal en de apparaatarchitectuur."