I årtionden, transistorerna på våra mikrochips har blivit mindre, snabbare och billigare. Ungefär vartannat år har antalet transistorer på kommersiella chips fördubblats - detta fenomen blev känt som "Moores lag". Men sedan flera år tillbaka, Moores lag gäller inte längre. Miniatyriseringen har nått en naturlig gräns, då helt nya problem uppstår när man närmar sig en längdskala på bara några få nanometer.

Nu, dock, nästa stora miniatyriseringssteg kan snart bli möjligt - med så kallade "tvådimensionella (2-D) material" som kan bestå av bara ett enda atomlager. Med hjälp av en ny isolator gjord av kalciumfluorid, forskare vid TU Wien (Wien) har skapat en ultratunn transistor, som har utmärkta elektriska egenskaper och, i motsats till tidigare teknik, kan miniatyriseras till en extremt liten storlek. Den nya tekniken har nu presenterats i tidskriften Naturelektronik .

Ultratunna halvledare och isolatorer

Forskning om halvledarmaterial som behövs för att tillverka transistorer har sett betydande framsteg de senaste åren. I dag, ultratunna halvledare kan tillverkas av 2D-material, som endast består av ett fåtal atomlager. "Men detta räcker inte för att bygga en extremt liten transistor, " säger professor Tibor Grasser från Institute of Microelectronics vid TU Wien. "Förutom den ultratunna halvledaren, vi behöver också en ultratunn isolator."

Detta beror på den grundläggande designstrukturen hos en transistor:ström kan flyta från ena sidan av transistorn till den andra, men bara om en spänning appliceras i mitten, skapar ett elektriskt fält. Elektroden som ger detta fält måste vara elektriskt isolerad från själva halvledaren. "Det har redan gjorts transistorexperiment med ultratunna halvledare, men tills nu var de kopplade till vanliga isolatorer, ", säger Tibor Grasser. "Det är inte mycket fördelaktigt att minska tjockleken på halvledaren när den ändå måste kombineras med ett tjockt lager av isolatormaterial. Det finns inget sätt att miniatyrisera en sådan transistor ytterligare. Också, vid mycket små längdskalor visade sig isolatorytan störa de elektroniska egenskaperna hos halvledaren."

Därför, Yury Illarionov, en postdoc i Tibor Grassers team, försökte ett nytt tillvägagångssätt. Han använde ultratunna 2D-material inte bara för halvledardelen av transistorn, men även för den isolerande delen. Genom att välja ultratunna isoleringsmaterial som jonkristaller, en transistor med en storlek på bara några nanometer kan byggas. De elektroniska egenskaperna förbättras eftersom jonkristaller kan ha en helt regelbunden yta, utan att en enda atom sticker ut från ytan, som kan störa det elektriska fältet. "Konventionella material har kovalenta bindningar i den tredje dimensionen - atomer som kopplar till de närliggande materialen ovanför och under, " förklarar Tibor Grasser. "Detta är inte fallet i 2D-material och jonkristaller, och så stör de inte de elektriska egenskaperna hos halvledaren."

Prototypen är en världsmästare

För att producera den nya ultratunna transistorn, kalciumfluorid valdes som isoleringsmaterial. Kalciumfluoridskiktet tillverkades vid Ioffe-institutet i St. Petersburg, där publikationens första författare, Yury Illarionov, är ursprungligen från innan han gick med i teamet i Wien. Själva transistorn tillverkades sedan av prof. Thomas Müllers team vid Institutet för fotonik vid TU Wien och analyserades vid Institutet för mikroelektronik.

Den allra första prototypen överträffade redan alla förväntningar:"I åratal, vi har fått en hel del olika transistorer för att undersöka deras tekniska egenskaper – men vi har aldrig sett något liknande vår transistor med kalciumfluoridisolatorn, " säger Tibor Grasser. "Prototypen med sina överlägsna elektriska egenskaper överglänser alla tidigare modeller."

Nu vill teamet ta reda på vilka kombinationer av isolatorer och halvledare som fungerar bäst. Det kan ta ytterligare några år innan tekniken kan användas för kommersiellt tillgängliga datorchips eftersom tillverkningsprocesserna för materialskikten fortfarande behöver förbättras. "I allmänhet, dock, det råder ingen tvekan om att transistorer gjorda av 2D-material är ett mycket intressant alternativ för framtiden, " säger Tibor Grasser. "Från en vetenskaplig synvinkel, det är tydligt att de fluorider vi just har testat för närvarande är den bästa lösningen för isolatorproblemet. Nu, bara några tekniska frågor återstår att besvara. "

Denna nya sorts mindre och snabbare transistor borde göra det möjligt för datorindustrin att ta nästa stora steg. Den här vägen, Moores lag om exponentiellt ökande datorkraft kan snart komma till liv igen.