Forskere bruger nye materialer til at bygge den mindste transistor med 1-nanometer carbon nanorør gate

I mere end et årti, ingeniører har set øje på målstregen i løbet for at skrumpe størrelsen på komponenter i integrerede kredsløb. De vidste, at fysikkens love havde sat en tærskel på 5 nanometer for størrelsen af ​​transistorporte blandt konventionelle halvledere, omkring en fjerdedel af størrelsen på high-end 20-nanometer-gate transistorer, der nu er på markedet.

Nogle love er lavet for at blive brudt, eller i det mindste udfordret.

Et forskerhold ledet af fakultetsforsker Ali Javey ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har gjort netop det ved at skabe en transistor med en fungerende 1-nanometer gate. Til sammenligning, et hårstrå er omkring 50, 000 nanometer tyk.

"Vi lavede den mindste transistor, der er rapporteret til dato, " sagde Javey, en ledende hovedforsker af programmet Electronic Materials i Berkeley Labs Materials Science Division. "Gate-længden betragtes som en definerende dimension af transistoren. Vi demonstrerede en 1-nanometer-gate-transistor, viser, at med valget af rigtige materialer, der er meget mere plads til at skrumpe vores elektronik. "

Nøglen var at bruge kulstof nanorør og molybdændisulfid (MoS ₂ ), et motorsmøremiddel, der almindeligvis sælges i autoreservedelsbutikker. MoS ₂ er en del af en familie af materialer med et enormt potentiale for anvendelse i LED'er, lasere, nanoskala transistorer, solceller, og mere.

Resultaterne vil blive vist i tidsskriftet 7. oktober Videnskab . Andre efterforskere på dette papir inkluderer Jeff Bokor, en seniorforsker fra fakultetet ved Berkeley Lab og en professor ved UC Berkeley; Chenming Hu, en professor ved UC Berkeley; Moon Kim, en professor ved University of Texas i Dallas; og H.S. Philip Wong, professor ved Stanford University.

Udviklingen kan være nøglen til at holde liv i Intels medstifter Gordon Moores forudsigelse om, at tætheden af ​​transistorer på integrerede kredsløb ville fordobles hvert andet år, muliggør den øgede ydeevne af vores bærbare computere, mobiltelefoner, fjernsyn, og anden elektronik.

"Halvlederindustrien har længe antaget, at enhver gate under 5 nanometer ikke ville fungere, så alt under, der ikke engang blev overvejet, " sagde studielederforfatter Sujay Desai, en kandidatstuderende i Javeys laboratorium. "Denne forskning viser, at porte på under 5 nanometer ikke bør udelukkes. Industrien har presset hver eneste smule kapacitet ud af silicium. Ved at ændre materialet fra silicium til MoS2, vi kan lave en transistor med en gate, der kun er 1 nanometer lang, og betjen den som en kontakt."

Når 'elektroner er ude af kontrol'

Transistorer består af tre terminaler:en kilde, et afløb, og en port. Strøm løber fra kilden til afløbet, og det flow styres af porten, som tænder og slukker som reaktion på den påførte spænding.

Både silicium og MoS2 har en krystallinsk gitterstruktur, men elektroner, der strømmer gennem silicium, er lettere og støder på mindre modstand sammenlignet med MoS2. Det er en velsignelse, når porten er 5 nanometer eller længere. Men under den længde, et kvantemekanisk fænomen kaldet tunneling starter, og gatebarrieren er ikke længere i stand til at forhindre elektronerne i at trænge igennem fra kilden til drænterminalerne.

"Det betyder, at vi ikke kan slukke for transistorer, " sagde Desai. "Elektronerne er ude af kontrol."

Fordi elektroner strømmer gennem MoS ₂ er tungere, deres flow kan styres med mindre portlængder. MoS ₂ kan også skaleres ned til atom tynde plader, omkring 0,65 nanometer tyk, med en lavere dielektrisk konstant, et mål, der afspejler et materiales evne til at lagre energi i et elektrisk felt. Begge disse ejendomme, ud over elektronens masse, hjælpe med at forbedre kontrollen med strømmen af ​​strøm inde i transistoren, når portlængden reduceres til 1 nanometer.

Engang slog de sig ned på MoS ₂ som halvledermateriale, det var tid til at bygge porten. At lave en 1-nanometer struktur, det viser sig, er ikke ringe præstation. Konventionelle litografiteknikker fungerer ikke godt i den skala, så forskerne vendte sig mod kulstof nanorør, hule cylindriske rør med diametre så små som 1 nanometer.

De målte derefter apparaternes elektriske egenskaber for at vise, at MoS2 -transistoren med carbon -nanorørporten effektivt kontrollerede elektronstrømmen.

"Dette arbejde demonstrerede den korteste transistor nogensinde, " sagde Javey, som også er professor i elektroteknik og datalogi ved UC Berkeley. "Imidlertid, det er et bevis på konceptet. Vi har endnu ikke pakket disse transistorer på en chip, og vi har ikke gjort det milliarder af gange. Vi har heller ikke udviklet selvjusterede fremstillingsskemaer til reduktion af parasitresistens i enheden. Men dette arbejde er vigtigt for at vise, at vi ikke længere er begrænset til en 5-nanometer gate til vores transistorer. Moores lov kan fortsætte et stykke tid endnu ved korrekt konstruktion af halvledermaterialet og enhedsarkitekturen."