MoS2 transistor med 1-nanometer kol nanorör gate. Kredit:Sujay Desaj
I mer än ett decennium, ingenjörer har tittat på mållinjen i loppet för att krympa storleken på komponenter i integrerade kretsar. De visste att fysikens lagar hade satt en 5-nanometer tröskel på storleken på transistorgrindar bland konventionella halvledare, ungefär en fjärdedel av storleken på avancerade 20-nanometer-gate-transistorer som nu finns på marknaden.
Vissa lagar är gjorda för att brytas, eller åtminstone utmanad.
En forskargrupp ledd av fakultetsforskaren Ali Javey vid Department of Energys Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har gjort just det genom att skapa en transistor med en fungerande 1-nanometers gate. För jämförelse, ett hårstrå är ungefär 50, 000 nanometer tjock.
"Vi gjorde den minsta transistorn som hittills rapporterats, sa Javey, en ledande utredare för programmet Electronic Materials i Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning. "Grindens längd anses vara en definierande dimension av transistorn. Vi demonstrerade en 1-nanometer-gate transistor, visar att med valet av rätt material, det finns mycket mer utrymme för att krympa vår elektronik."
Nyckeln var att använda kolnanorör och molybdendisulfid (MoS 2 ), ett motorsmörjmedel som vanligtvis säljs i bildelarbutiker. MoS 2 är en del av en familj av material med enorm potential för tillämpningar i lysdioder, lasrar, nanoskala transistorer, solceller, och mer.
Resultaten kommer att visas i 7 oktober-numret av tidskriften Vetenskap . Andra utredare på detta papper inkluderar Jeff Bokor, en senior forskare vid Berkeley Lab och en professor vid UC Berkeley; Chenming Hu, en professor vid UC Berkeley; Moon Kim, en professor vid University of Texas i Dallas; och H.S. Philip Wong, professor vid Stanford University.
Ett schema över en transistor med en molybdendisulfidkanal och 1-nanometer kolnanorörsport. Kredit:Sujay Desai/Berkeley Lab
Utvecklingen kan vara nyckeln till att hålla vid liv Intels medgrundare Gordon Moores förutsägelse att tätheten av transistorer på integrerade kretsar skulle fördubblas vartannat år, möjliggör ökad prestanda hos våra bärbara datorer, mobiltelefoner, tv-apparater, och annan elektronik.
"Halvledarindustrin har länge antagit att någon gate under 5 nanometer inte skulle fungera, så allt nedan som inte ens beaktades, " sade studiens huvudförfattare Sujay Desai, en doktorand i Javeys labb. "Denna forskning visar att grindar på under 5 nanometer inte bör diskonteras. Industrin har pressat varenda bit av kapacitet ur kisel. Genom att ändra materialet från kisel till MoS2, vi kan göra en transistor med en gate som bara är 1 nanometer lång, och manövrera den som en strömbrytare."
När "elektroner är utom kontroll"
Transistorer består av tre terminaler:en källa, ett avlopp, och en grind. Strömflöden från källan till avloppet, och det flödet styrs av grinden, som slås på och av som svar på den pålagda spänningen.
Både kisel och MoS2 har en kristallin gitterstruktur, men elektroner som strömmar genom kisel är lättare och möter mindre motstånd jämfört med MoS2. Det är en välsignelse när grinden är 5 nanometer eller längre. Men under den längden, ett kvantmekaniskt fenomen som kallas tunnling slår in, och grindbarriären kan inte längre hindra elektronerna från att tränga igenom från källan till dräneringsterminalerna.
Transmissionselektronmikroskopbild av ett tvärsnitt av transistorn. Den visar ~ 1 nanometer kolnanorörsporten och molybdendisulfidhalvledaren separerade av zirkoniumdioxid som är en isolator. Kredit:Qingxiao Wang, UT Dallas
"Detta betyder att vi inte kan stänga av transistorerna, " sa Desai. "Elektronerna är utom kontroll."
Eftersom elektroner strömmar genom MoS 2 är tyngre, deras flöde kan styras med mindre grindlängder. MoS 2 kan även skalas ner till atomärt tunna ark, ca 0,65 nanometer tjock, med en lägre dielektricitetskonstant, ett mått som återspeglar förmågan hos ett material att lagra energi i ett elektriskt fält. Båda dessa fastigheter, förutom elektronens massa, bidra till att förbättra kontrollen av strömflödet inuti transistorn när grindens längd reduceras till 1 nanometer.
När de slog sig ner på MoS 2 som halvledarmaterial, det var dags att bygga porten. Att göra en 1-nanometer struktur, det visar sig, är ingen liten bedrift. Konventionella litografitekniker fungerar inte bra i den skalan, så forskarna vände sig till kolnanorör, ihåliga cylindriska rör med diametrar så små som 1 nanometer.
De mätte sedan de elektriska egenskaperna hos enheterna för att visa att MoS2-transistorn med kolnanorörsporten effektivt kontrollerade flödet av elektroner.
"Detta arbete visade den kortaste transistorn någonsin, sa Javey, som också är professor i elektroteknik och datavetenskap vid UC Berkeley. "Dock, det är ett proof of concept. Vi har ännu inte packat dessa transistorer på ett chip, och vi har inte gjort detta miljarder gånger om. Vi har inte heller utvecklat självjusterade tillverkningsscheman för att minska parasitmotstånd i enheten. Men detta arbete är viktigt för att visa att vi inte längre är begränsade till en 5-nanometers gate för våra transistorer. Moores lag kan fortsätta ett tag till genom korrekt konstruktion av halvledarmaterialet och enhetsarkitekturen."
