Al decenia, de transistors op onze microchips zijn kleiner geworden, sneller en goedkoper. Ongeveer elke twee jaar is het aantal transistors op commerciële chips verdubbeld - dit fenomeen werd bekend als de 'wet van Moore'. Maar sinds een aantal jaren De wet van Moore gaat niet meer op. De miniaturisering heeft een natuurlijke grens bereikt, want bij het benaderen van een lengteschaal van slechts enkele nanometers ontstaan ​​geheel nieuwe problemen.

Nutsvoorzieningen, echter, de volgende grote miniaturisatiestap zou binnenkort mogelijk kunnen worden - met zogenaamde "tweedimensionale (2-D) materialen" die mogelijk uit slechts een enkele atomaire laag bestaan. Met behulp van een nieuwe isolator gemaakt van calciumfluoride, wetenschappers van de TU Wien (Wenen) hebben een ultradunne transistor gemaakt, die uitstekende elektrische eigenschappen heeft en, in tegenstelling tot eerdere technologieën, kan worden verkleind tot een extreem klein formaat. De nieuwe technologie is nu gepresenteerd in het tijdschrift Natuur Elektronica .

Ultradunne halfgeleiders en isolatoren

Onderzoek naar halfgeleidermaterialen die nodig zijn om transistors te maken, heeft de afgelopen jaren aanzienlijke vooruitgang geboekt. Vandaag, ultradunne halfgeleiders kunnen worden gemaakt van 2D-materialen, bestaande uit slechts enkele atomaire lagen. "Maar dit is niet genoeg om een ​​extreem kleine transistor te bouwen, " zegt professor Tibor Grasser van het Institute of Microelectronics aan de TU Wien. "Naast de ultradunne halfgeleider, we hebben ook een ultradunne isolator nodig."

Dit komt door de fundamentele ontwerpstructuur van een transistor:stroom kan van de ene kant van de transistor naar de andere vloeien, maar alleen als in het midden een spanning wordt aangelegd, het creëren van een elektrisch veld. De elektrode die dit veld levert, moet elektrisch geïsoleerd zijn van de halfgeleider zelf. "Er zijn al transistorexperimenten geweest met ultradunne halfgeleiders, maar tot nu toe waren ze gekoppeld aan gewone isolatoren, ", zegt Tibor Grasser. "Het heeft niet veel zin om de dikte van de halfgeleider te verminderen als deze nog moet worden gecombineerd met een dikke laag isolatiemateriaal. Er is geen manier om zo'n transistor verder te miniaturiseren. Ook, op zeer kleine lengteschalen bleek het isolatoroppervlak de elektronische eigenschappen van de halfgeleider te verstoren."

Daarom, Joeri Illarionov, een postdoc in het team van Tibor Grasser, een nieuwe benadering geprobeerd. Hij gebruikte ultradunne 2D-materialen niet alleen voor het halfgeleidergedeelte van de transistor, maar ook voor het isolerende gedeelte. Door ultradunne isolatiematerialen zoals ionische kristallen te selecteren, een transistor met een grootte van slechts enkele nanometers kan worden gebouwd. De elektronische eigenschappen zijn verbeterd omdat ionische kristallen een perfect regelmatig oppervlak kunnen hebben, zonder dat een enkel atoom uit het oppervlak steekt, die het elektrische veld kunnen verstoren. "Conventionele materialen hebben covalente bindingen in de derde dimensie - atomen die koppelen aan de naburige materialen boven en onder, " legt Tibor Grasser uit. "Dit is niet het geval bij 2D-materialen en ionische kristallen, en dus interfereren ze niet met de elektrische eigenschappen van de halfgeleider."

Het prototype is een wereldkampioen

Om de nieuwe ultradunne transistor te produceren, calciumfluoride werd gekozen als isolatiemateriaal. De calciumfluoridelaag werd geproduceerd in het Ioffe Institute in St. Petersburg, waar de eerste auteur van de publicatie, Joeri Illarionov, is oorspronkelijk van voordat hij bij het team in Wenen kwam. De transistor zelf werd vervolgens vervaardigd door het team van prof. Thomas Müller aan het Instituut voor Fotonica van de TU Wien en geanalyseerd aan het Instituut voor Micro-elektronica.

Het allereerste prototype overtrof al alle verwachtingen:"Jarenlang we hebben een behoorlijk aantal verschillende transistors ontvangen om hun technische eigenschappen te onderzoeken - maar we hebben nog nooit zoiets gezien als onze transistor met de calciumfluoride-isolator, ", zegt Tibor Grasser. "Het prototype met zijn superieure elektrische eigenschappen overtreft alle voorgaande modellen."

Nu wil het team uitzoeken welke combinaties van isolatoren en halfgeleiders het beste werken. Het kan nog een paar jaar duren voordat de technologie kan worden gebruikt voor commercieel verkrijgbare computerchips, omdat de fabricageprocessen voor de materiaallagen nog moeten worden verbeterd. "In het algemeen, echter, het lijdt geen twijfel dat transistoren gemaakt van 2D-materialen een zeer interessante optie zijn voor de toekomst, ", zegt Tibor Grasser. "Vanuit wetenschappelijk oogpunt, het is duidelijk dat de fluoriden die we zojuist hebben getest momenteel de beste oplossing zijn voor het isolatorprobleem. Nutsvoorzieningen, slechts enkele technische vragen moeten nog beantwoord worden. "

Dit nieuwe soort kleinere en snellere transistor moet de computerindustrie in staat stellen de volgende grote stap te zetten. Op deze manier, Moore's wet van exponentieel toenemende computerkracht zou binnenkort weer tot leven kunnen komen.