Nye ultratynde halvledermaterialer overstiger nogle af siliciums hemmelige kræfter

Den næste generation af funktionsfyldt og energieffektiv elektronik vil kræve computerchips, der kun er nogle få atomer tykke. På trods af alle dets positive egenskaber, trofast silicium kan ikke bringe os til disse ultratynde ekstremer.

Nu, elektriske ingeniører hos Stanford har identificeret to halvledere - hafniumdiselenid og zirconiumdiselenid - der deler eller endda overgår nogle af siliciums ønskelige egenskaber, begyndende med det faktum, at alle tre materialer kan "ruste".

"Det er lidt ligesom rust, men en meget ønskværdig rust, " sagde Eric Pop, en lektor i elektroteknik, som sammen med post-doc Michal Mleczko forfattede et papir, der vises i tidsskriftet Videnskabens fremskridt .

De nye materialer kan også krympes til funktionelle kredsløb, der kun er tre atomer tykke, og de kræver mindre energi end siliciumkredsløb. Selvom det stadig er eksperimentelt, forskerne sagde, at materialerne kunne være et skridt i retning af den slags tyndere, mere energieffektive chips efterspørges af fremtidens enheder.

Siliciums styrker

Silicium har adskillige kvaliteter, der har ført til, at det er blevet fundamentet for elektronik, Pop forklarede. Den ene er, at den er velsignet med en meget god "native" isolator, siliciumdioxid eller, på almindeligt engelsk, silicium rust. Udsættelse af silicium for ilt under fremstillingen giver chipproducenter en nem måde at isolere deres kredsløb på. Andre halvledere "ruster" ikke til gode isolatorer, når de udsættes for ilt, så de skal være lagdelt med ekstra isolatorer, et skridt, der introducerer tekniske udfordringer. Begge de diselenider, Stanford-gruppen testede, dannede denne undvigende, dog isolerende rustlag af høj kvalitet, når det udsættes for ilt.

Ikke kun ruster begge ultratynde halvledere, de gør det på en måde, der er endnu mere ønskværdig end silicium. De danner det, der kaldes "høj-K" isolatorer, som muliggør lavere effektdrift end det er muligt med silicium og dets siliciumoxidisolator.

Da Stanford-forskerne begyndte at skrumpe diseleniderne til atomart tynde, de indså, at disse ultratynde halvledere deler en anden af ​​siliciums hemmelige fordele:den energi, der er nødvendig for at tænde transistorer - et kritisk trin i databehandling, kaldet bandgabet - er i det helt rigtige område. For lavt, og kredsløbene lækker og bliver upålidelige. For høj og chippen tager for meget energi at fungere og bliver ineffektiv. Begge materialer var i samme optimale område som silicium.

Alt dette og diseleniderne kan også formes til kredsløb, der kun er tre atomer tykke, eller omkring to tredjedele af en nanometer, noget silicium ikke kan.

"Ingeniører har ikke været i stand til at gøre siliciumtransistorer tyndere end omkring fem nanometer, før materialets egenskaber begynder at ændre sig på uønskede måder, " sagde Pop.

Kombinationen af ​​tyndere kredsløb og ønskelig høj-K-isolering betyder, at disse ultratynde halvledere kunne laves om til transistorer 10 gange mindre end noget andet muligt med silicium i dag.

"Silicon vil ikke forsvinde. Men for forbrugerne kan dette betyde meget længere batterilevetid og meget mere kompleks funktionalitet, hvis disse halvledere kan integreres med silicium, " sagde Pop.

Mere arbejde at gøre

Der er meget arbejde forude. Først, Mleczko og Pop skal forfine de elektriske kontakter mellem transistorer på deres ultratynde diselenid-kredsløb. "Disse forbindelser har altid vist sig at være en udfordring for enhver ny halvleder, og vanskeligheden bliver større, når vi krymper kredsløb til atomskalaen, " sagde Mleczko.

De arbejder også på bedre at kontrollere de oxiderede isolatorer for at sikre, at de forbliver så tynde og stabile som muligt. Sidst, men ikke mindst, først når disse ting er i orden, vil de begynde at integreres med andre materialer og derefter skalere op til fungerende wafers, komplekse kredsløb og, til sidst, komplette systemer.

"Der er mere forskning at lave, men en ny vej til tyndere, mindre kredsløb - og mere energieffektiv elektronik - er inden for rækkevidde, " sagde Pop.