Самый маленький. Транзистор. Когда-либо созданный

На протяжении более десяти лет инженеры уже присматриваются к финишу в гонке уменьшения размера компонентов в интегральных схемах. Они знали, что законы физики установили порог в 5-нанометров размер затвора транзисторов среди обычных полупроводников, это около одной четверти размера высокого класса транзисторов с 20-нанометровым затвором, которые есть в настоящее время на рынке.

Некоторые законы существуют, чтобы их нарушать, или, по крайней мере, ставить их под сомнение.

Исследовательская команда во главе с ученым факультета Али Джавей на кафедре энергетики Национальной лаборатории Лоренса Беркли (Berkeley Lab) сделала именно это, создав транзистор с рабочим 1-нанометровым затвором. Для сравнения, прядь человеческих волос имеет толщину около 50 000 нанометров.

"Мы сделали самый маленький транзистор, зарегистрированный на сегодняшний день", – сказал Джавей, ведущий главный исследователь программы электронных материалов в области материаловедения отдела лаборатории Беркли. "Длина затвора считается определяющим размер транзистора. Мы продемонстрировали 1-нанометровый затвор транзистора, показывающий, что при выборе правильных материалов, есть намного больше места, чтобы уменьшить нашу электронику".

Ключ в том, чтобы использовать углеродные нанотрубки и дисульфид молибдена (MoS2), смазка двигателя, обычно продается в магазинах автозапчастей. MoS2 является частью семейства материалов с огромным потенциалом для применения в светодиодах, лазерах, наноразмерных транзисторах, солнечных батареях и многих других.

Полученные результаты были опубликованы в журнале Science. Другими исследователями по этой статье были Джефф Бокор, старший научный сотрудник Лаборатории Беркли и профессор Калифорнийского университета в Беркли; Ченминг Ху, профессор Калифорнийского университета в Беркли; Луна Ким, профессор в Университете Техаса в Далласе; и Х.С. Филип Вонг, профессор Стэндфордского университета.

Это развитие может быть ключом к поддержанию живым предсказания соучредителя Intel Гордона Мура, что плотность транзисторов на интегральных схемах будет удваиваться каждые два года, которая позволяет увеличивать производительность наших ноутбуков, мобильных телефонов, телевизоров и другой электроники.

"Полупроводниковая промышленность давно предполагала, что любые затворы ниже 5 нанометров не будут работать, так что все, что было меньше, даже не рассматривалось", – говорит ведущий автор исследования Суджей Десаи, аспирант в лаборатории Джавей. "Это исследование показывает, что меньше, чем 5-нанометровый затвор не следует сбрасывать со счетов. Промышленность выдавливала каждый последний бит возможности из кремния. Изменив материал от кремния к MoS2, мы можем сделать транзистор с затвором, который будет 1 нанометр в длину, и управляем, как переключатель".

Когда "электроны выходят из-под контроля":

Транзисторы состоят из трех терминалов: исток, сток, и затвор. Ток течет от истока к стоку, и этот поток управляется затвором, который включается и выключается в ответ на приложенное напряжение.

И кремния, и MoS2 имеют структуру кристаллической решетки, но электроны, проходящие через кремний, легче и сталкиваются с меньшим сопротивлением по сравнению с MoS2. Это является преимуществом, когда затвор 5 нм или больше. Но меньше этой длины, квантовомеханическое явление, называемое туннелирование, не работает, и барьер затвора уже не в состоянии держать вырывающиеся электроны от истока к стоку.

"Это означает, что мы не можем отключить транзисторы", – сказал Десаи. "Электроны выходят из-под контроля".

Поскольку электроны, проходящие через MoS2 тяжелее, их поток может управляться с меньшими длинами затвора. MoS2 также может быть уменьшен до атомарно тонких листов, толщиной около 0,65 нм, с более низкой диэлектрической постоянной, мерой, отражающей способности материала накапливать энергию в электрическом поле. Оба эти свойства, в дополнение к массе электрона, помогают улучшить управление потоком тока внутри транзистора, когда длина затвора уменьшается до 1 нанометра.

После того, как они осели на MoS2 в качестве полупроводникового материала, это время, для создания затвора. Создание 1-нанометровой структуры, оказывается, большой подвиг. Обычные методы литографии работают не очень хорошо в этом масштабе, поэтому исследователи обратились к углеродным нанотрубкам, это полые цилиндрические трубки с маленьким диаметром в 1 нанометр.

Затем они измерили электрические свойства устройств, чтобы показать, что MoS2 транзистор с затвором из углеродной нанотрубки эффективно контролирует поток электронов.

"Эта работа продемонстрировала самый маленький транзистор когда-либо", – сказал Джавей, который также является профессором электротехники и компьютерных наук Калифорнийского университета в Беркли. "Тем не менее, это доказывает концепцию. Мы еще не расположили эти транзисторы на чипе, и мы не сделали это миллиарды раз. Мы также не разработали самостоятельно выровненных схем изготовления для уменьшения паразитных сопротивлений в устройстве. Но эта работа важна, чтобы показать, что мы более не ограничены 5-нанометровым затвором для наших транзисторов. Закон Мура может жить дальше некоторое время за счет правильного проектирования полупроводникового материала и архитектуры устройства ".

Работа в Лаборатории Беркли в основном финансируется программой Департамента Энергетики Основных Энергетических Наук.