Ultratynde transistorer til hurtigere computerchips

I årtier, transistorerne på vores mikrochips er blevet mindre, hurtigere og billigere. Cirka hvert andet år er antallet af transistorer på kommercielle chips fordoblet - dette fænomen blev kendt som "Moores lov." Men i flere år nu, Moores lov gælder ikke længere. Miniaturiseringen har nået en naturlig grænse, da der opstår helt nye problemer, når man nærmer sig en længdeskala på kun få nanometer.

Nu, imidlertid, det næste store miniaturiseringstrin kan snart blive muligt - med såkaldte "todimensionelle (2-D) materialer", der kan bestå af kun et enkelt atomlag. Ved hjælp af en ny isolator lavet af calciumfluorid, forskere ved TU Wien (Wien) har skabt en ultratynd transistor, som har fremragende elektriske egenskaber og, i modsætning til tidligere teknologier, kan miniaturiseres til en ekstrem lille størrelse. Den nye teknologi er nu blevet præsenteret i tidsskriftet Naturelektronik .

Ultra-tynde halvledere og isolatorer

Forskning i halvledermaterialer, der er nødvendige for at fremstille transistorer, har set betydelige fremskridt i de seneste år. I dag, ultratynde halvledere kan være lavet af 2-D materialer, bestående af kun få atomlag. "Men dette er ikke nok til at bygge en ekstremt lille transistor, " siger professor Tibor Grasser fra Institut for Mikroelektronik ved TU Wien. "Ud over den ultratynde halvleder, vi har også brug for en ultratynd isolator."

Dette skyldes den grundlæggende designstruktur af en transistor:strøm kan flyde fra den ene side af transistoren til den anden, men kun hvis en spænding påføres i midten, skabe et elektrisk felt. Elektroden, der giver dette felt, skal være elektrisk isoleret fra selve halvlederen. "Der har allerede været transistoreksperimenter med ultratynde halvledere, men indtil nu var de koblet sammen med almindelige isolatorer, " siger Tibor Grasser. "Der er ikke den store fordel i at reducere tykkelsen af ​​halvlederen, når den stadig skal kombineres med et tykt lag isolatormateriale. Der er ingen måde at miniaturisere en sådan transistor yderligere. Også, ved meget små længdeskalaer viste isolatoroverfladen sig at forstyrre halvlederens elektroniske egenskaber."

Derfor, Yury Illarionov, en postdoc i Tibor Grassers team, prøvet en ny tilgang. Han brugte ultratynde 2D-materialer ikke kun til halvlederdelen af ​​transistoren, men også til den isolerende del. Ved at vælge ultratynde isoleringsmaterialer, såsom ioniske krystaller, en transistor med en størrelse på kun få nanometer kan bygges. De elektroniske egenskaber er forbedret, fordi ioniske krystaller kan have en helt regelmæssig overflade, uden at et eneste atom rager ud fra overfladen, som kan forstyrre det elektriske felt. "Konventionelle materialer har kovalente bindinger i den tredje dimension - atomer, der kobler til de tilstødende materialer over og under, " forklarer Tibor Grasser. "Dette er ikke tilfældet i 2-D materialer og ioniske krystaller, og så forstyrrer de ikke halvlederens elektriske egenskaber."

Prototypen er verdensmester

For at producere den nye ultratynde transistor, calciumfluorid blev valgt som isoleringsmateriale. Calciumfluoridlaget blev produceret på Ioffe Institute i Skt.Petersborg, hvor den første forfatter til publikationen, Yury Illarionov, er oprindeligt fra før han kom til holdet i Wien. Selve transistoren blev derefter fremstillet af prof. Thomas Müllers team ved Institut for Fotonik ved TU Wien og analyseret på Institut for Mikroelektronik.

Den allerførste prototype overgik allerede alle forventninger:"I årevis, vi har modtaget en del forskellige transistorer for at undersøge deres tekniske egenskaber - men vi har aldrig set noget lignende vores transistor med calciumfluorid-isolatoren, " siger Tibor Grasser. "Prototypen med sine overlegne elektriske egenskaber overstråler alle tidligere modeller."

Nu vil teamet finde ud af, hvilke kombinationer af isolatorer og halvledere der fungerer bedst. Det kan tage nogle år endnu, før teknologien kan bruges til kommercielt tilgængelige computerchips, da fremstillingsprocesserne for materialelagene stadig mangler at blive forbedret. "Generelt, imidlertid, der er ingen tvivl om, at transistorer fremstillet af 2-D materialer er en yderst interessant mulighed for fremtiden, " siger Tibor Grasser. "Fra et videnskabeligt synspunkt, det er klart, at de fluorider, vi lige har testet, i øjeblikket er den bedste løsning på isolatorproblemet. Nu, kun få tekniske spørgsmål mangler at blive besvaret. "

Denne nye form for mindre og hurtigere transistor skulle gøre computerindustrien i stand til at tage det næste store skridt. Denne måde, Moores lov om eksponentielt stigende computerkraft kan snart komme til live igen.