Per decenni, i transistor sui nostri microchip sono diventati più piccoli, più veloce ed economico. Circa ogni due anni il numero di transistor sui chip commerciali è raddoppiato:questo fenomeno è noto come "legge di Moore". Ma ormai da diversi anni, La legge di Moore non vale più. La miniaturizzazione ha raggiunto un limite naturale, poiché sorgono problemi completamente nuovi quando ci si avvicina a una scala di lunghezza di pochi nanometri.

Ora, però, il prossimo grande passo di miniaturizzazione potrebbe presto diventare possibile, con i cosiddetti "materiali bidimensionali (2-D)" che possono consistere in un solo strato atomico. Con l'aiuto di un nuovo isolante in fluoruro di calcio, scienziati della TU Wien (Vienna) hanno creato un transistor ultrasottile, che ha eccellenti proprietà elettriche e, a differenza delle tecnologie precedenti, può essere miniaturizzato a dimensioni estremamente ridotte. La nuova tecnologia è stata ora presentata sulla rivista Elettronica della natura .

Semiconduttori e isolanti ultrasottili

La ricerca sui materiali semiconduttori necessari per fabbricare i transistor ha registrato progressi significativi negli ultimi anni. Oggi, i semiconduttori ultrasottili possono essere realizzati con materiali 2-D, costituito da pochi strati atomici. "Ma questo non è abbastanza per costruire un transistor estremamente piccolo, " afferma il professor Tibor Grasser dell'Istituto di microelettronica della TU Wien. "Oltre al semiconduttore ultrasottile, abbiamo anche bisogno di un isolante ultrasottile."

Ciò è dovuto alla struttura di progettazione fondamentale di un transistor:la corrente può fluire da un lato all'altro del transistor, ma solo se viene applicata una tensione nel mezzo, creando un campo elettrico. L'elettrodo che fornisce questo campo deve essere isolato elettricamente dal semiconduttore stesso. "Ci sono già stati esperimenti sui transistor con semiconduttori ultrasottili, ma fino ad ora erano accoppiati con normali isolanti, " dice Tibor Grasser. "Non c'è molto vantaggio nel ridurre lo spessore del semiconduttore quando deve ancora essere combinato con uno spesso strato di materiale isolante. Non c'è modo di miniaturizzare ulteriormente un tale transistor. Anche, a scale di lunghezza molto piccole la superficie dell'isolante si è rivelata disturbare le proprietà elettroniche del semiconduttore."

Perciò, Yury Illarionov, un postdoc nella squadra di Tibor Grasser, provato un nuovo approccio. Ha usato materiali 2-D ultrasottili non solo per la parte a semiconduttore del transistor, ma anche per la parte isolante. Selezionando materiali isolanti ultrasottili come i cristalli ionici, si può costruire un transistor con una dimensione di pochi nanometri. Le proprietà elettroniche sono migliorate perché i cristalli ionici possono avere una superficie perfettamente regolare, senza che un solo atomo sporga dalla superficie, che potrebbe disturbare il campo elettrico. "I materiali convenzionali hanno legami covalenti nella terza dimensione:atomi che si accoppiano ai materiali vicini sopra e sotto, " spiega Tibor Grasser. "Questo non è il caso dei materiali 2-D e dei cristalli ionici, e quindi non interferiscono con le proprietà elettriche del semiconduttore."

Il prototipo è un campione del mondo

Per produrre il nuovo transistor ultrasottile, fluoruro di calcio è stato scelto come materiale isolante. Lo strato di fluoruro di calcio è stato prodotto presso l'Istituto Ioffe di San Pietroburgo, dove il primo autore della pubblicazione, Yury Illarionov, è originario di prima di unirsi alla squadra di Vienna. Il transistor stesso è stato quindi prodotto dal team del Prof. Thomas Müller presso l'Istituto di fotonica della TU Wien e analizzato presso l'Istituto di microelettronica.

Il primissimo prototipo ha già superato ogni aspettativa:"Per anni, abbiamo ricevuto un certo numero di transistor diversi per indagare sulle loro proprietà tecniche, ma non abbiamo mai visto nulla di simile al nostro transistor con l'isolante al fluoruro di calcio, " afferma Tibor Grasser. "Il prototipo con le sue proprietà elettriche superiori supera tutti i modelli precedenti".

Ora il team vuole scoprire quali combinazioni di isolanti e semiconduttori funzionano meglio. Potrebbero volerci ancora alcuni anni prima che la tecnologia possa essere utilizzata per i chip per computer disponibili in commercio poiché i processi di produzione per gli strati di materiale devono ancora essere migliorati. "Generalmente, però, non c'è dubbio che i transistor realizzati con materiali 2-D siano un'opzione molto interessante per il futuro, " dice Tibor Grasser. "Da un punto di vista scientifico, è chiaro che i fluoruri che abbiamo appena testato sono attualmente la migliore soluzione al problema dell'isolante. Ora, restano solo alcune domande tecniche a cui rispondere. "

Questo nuovo tipo di transistor più piccolo e veloce dovrebbe consentire all'industria dei computer di fare il prossimo grande passo. Per di qua, La legge di Moore dell'aumento esponenziale della potenza dei computer potrebbe presto tornare in vita.