Transistor MoS2 con gate di nanotubi di carbonio da 1 nanometro. Attestazione:Sujay Desaj
Da più di un decennio, gli ingegneri hanno puntato al traguardo della corsa per ridurre le dimensioni dei componenti nei circuiti integrati. Sapevano che le leggi della fisica avevano fissato una soglia di 5 nanometri sulla dimensione delle porte dei transistor tra i semiconduttori convenzionali, circa un quarto delle dimensioni dei transistor a 20 nanometri di fascia alta attualmente sul mercato.
Alcune leggi sono fatte per essere infrante, o almeno contestato.
Un team di ricerca guidato dallo scienziato della facoltà Ali Javey presso il Lawrence Berkeley National Laboratory del Dipartimento di Energia (Berkeley Lab) ha fatto proprio questo creando un transistor con un gate funzionante da 1 nanometro. Per confronto, una ciocca di capelli umani è di circa 50, 000 nanometri di spessore.
"Abbiamo realizzato il transistor più piccolo mai registrato fino ad oggi, " ha detto Giava, un investigatore principale capo del programma Electronic Materials nella divisione di scienza dei materiali del Berkeley Lab. "La lunghezza del gate è considerata una dimensione che definisce il transistor. Abbiamo dimostrato un transistor a gate da 1 nanometro, dimostrando che con la scelta dei materiali adeguati, c'è molto più spazio per ridurre la nostra elettronica."
La chiave era usare nanotubi di carbonio e bisolfuro di molibdeno (MoS 2 ), un lubrificante per motori comunemente venduto nei negozi di ricambi auto. MoS 2 fa parte di una famiglia di materiali dalle immense potenzialità applicative nei LED, laser, transistor su nanoscala, celle solari, e altro ancora.
I risultati appariranno nel numero del 7 ottobre della rivista Scienza . Altri investigatori su questo documento includono Jeff Bokor, uno scienziato senior della facoltà al Berkeley Lab e un professore all'UC Berkeley; Chenming Hu, un professore all'Università di Berkeley; Luna Kim, un professore all'Università del Texas a Dallas; e H.S. Filippo Wong, un professore alla Stanford University.
Uno schema di un transistor con un canale di bisolfuro di molibdeno e un cancello di nanotubi di carbonio da 1 nanometro. Credito:Sujay Desai/Berkeley Lab
Lo sviluppo potrebbe essere la chiave per mantenere viva la previsione del co-fondatore di Intel Gordon Moore secondo cui la densità dei transistor sui circuiti integrati raddoppierebbe ogni due anni, consentendo l'aumento delle prestazioni dei nostri laptop, cellulari, televisori, e altri dispositivi elettronici.
"L'industria dei semiconduttori ha da tempo ipotizzato che qualsiasi porta al di sotto dei 5 nanometri non funzionerebbe, quindi qualsiasi cosa al di sotto che non fosse nemmeno considerata, ", ha affermato l'autore principale dello studio Sujay Desai, uno studente laureato nel laboratorio di Javey. "Questa ricerca mostra che i gate sub-5 nanometri non dovrebbero essere scontati. L'industria ha spremuto fino all'ultimo bit di capacità dal silicio. Cambiando il materiale dal silicio al MoS2, possiamo realizzare un transistor con un gate lungo solo 1 nanometro, e azionalo come un interruttore."
Quando "gli elettroni sono fuori controllo"
I transistor sono costituiti da tre terminali:una sorgente, uno scarico, e un cancello. La corrente scorre dalla sorgente allo scarico, e quel flusso è controllato dal cancello, che si accende e si spegne in risposta alla tensione applicata.
Sia il silicio che il MoS2 hanno una struttura reticolare cristallina, ma gli elettroni che fluiscono attraverso il silicio sono più leggeri e incontrano meno resistenza rispetto a MoS2. Questo è un vantaggio quando il cancello è di 5 nanometri o più. Ma al di sotto di quella lunghezza, entra in gioco un fenomeno quantomeccanico chiamato tunneling, e la barriera di gate non è più in grado di impedire agli elettroni di irrompere dalla sorgente ai terminali di pozzo.
Immagine al microscopio elettronico a trasmissione di una sezione trasversale del transistor. Mostra il cancello di nanotubi di carbonio di ~ 1 nanometro e il semiconduttore di bisolfuro di molibdeno separati dal biossido di zirconio che è un isolante. Credito:Qingxiao Wang, UT Dallas
"Questo significa che non possiamo spegnere i transistor, " disse Desai. "Gli elettroni sono fuori controllo."
Perché gli elettroni che fluiscono attraverso MoS 2 sono più pesanti, il loro flusso può essere controllato con lunghezze di gate inferiori. MoS 2 può anche essere ridimensionato a fogli atomicamente sottili, spessore di circa 0,65 nanometri, con una costante dielettrica inferiore, una misura che riflette la capacità di un materiale di immagazzinare energia in un campo elettrico. Entrambe queste proprietà, oltre alla massa dell'elettrone, aiutano a migliorare il controllo del flusso di corrente all'interno del transistor quando la lunghezza del gate è ridotta a 1 nanometro.
Una volta che si sono stabiliti su MoS 2 come il materiale semiconduttore, era tempo di costruire il cancello. Realizzare una struttura a 1 nanometro, si scopre, non è cosa da poco. Le tecniche di litografia convenzionale non funzionano bene a quella scala, così i ricercatori si sono rivolti ai nanotubi di carbonio, tubi cilindrici cavi con diametri fino a 1 nanometro.
Hanno quindi misurato le proprietà elettriche dei dispositivi per dimostrare che il transistor MoS2 con il gate di nanotubi di carbonio controllava efficacemente il flusso di elettroni.
"Questo lavoro ha dimostrato il transistor più corto di sempre, " ha detto Giava, che è anche un professore di ingegneria elettrica e informatica alla UC Berkeley. "Però, è una prova del concetto. Non abbiamo ancora impacchettato questi transistor su un chip, e non l'abbiamo fatto miliardi di volte. Inoltre, non abbiamo sviluppato schemi di fabbricazione autoallineati per ridurre le resistenze parassitarie nel dispositivo. Ma questo lavoro è importante per dimostrare che non siamo più limitati a un gate a 5 nanometri per i nostri transistor. La legge di Moore può continuare ancora per un po' con un'adeguata progettazione del materiale semiconduttore e dell'architettura del dispositivo".
