Forscher verwenden neuartige Materialien, um den kleinsten Transistor mit 1-Nanometer-Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Gate zu bauen

Seit mehr als einem Jahrzehnt haben Ingenieure das Ziel im Rennen um die Verkleinerung der Komponenten in integrierten Schaltkreisen im Blick. Sie wussten, dass die Gesetze der Physik eine 5-Nanometer-Schwelle für die Größe von Transistor-Gates bei herkömmlichen Halbleitern festgelegt hatten, etwa ein Viertel der Größe der derzeit auf dem Markt erhältlichen High-End-20-Nanometer-Gate-Transistoren.

 

Manche Gesetze sind dazu da, gebrochen oder zumindest angefochten zu werden.

Einem Forschungsteam unter der Leitung des Fakultätswissenschaftlers Ali Javey vom Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) des Energieministeriums ist genau das gelungen, indem es einen Transistor mit einem funktionierenden 1-Nanometer-Gate entwickelt hat. Zum Vergleich: Eine menschliche Haarsträhne ist etwa 50.000 Nanometer dick.

„Wir haben den kleinsten Transistor hergestellt, über den bisher berichtet wurde“, sagte Javey, leitender Hauptforscher des Programms „Elektronische Materialien“ in der Abteilung für Materialwissenschaften des Berkeley Lab. „Die Gate-Länge gilt als bestimmendes Maß des Transistors. Wir haben einen 1-Nanometer-Gate-Transistor demonstriert und gezeigt, dass es mit der Wahl der richtigen Materialien viel mehr Spielraum für die Verkleinerung unserer Elektronik gibt.“

Der Schlüssel lag in der Verwendung von Kohlenstoffnanoröhren und Molybdändisulfid (MoS).₂), ein Motorschmiermittel, das üblicherweise in Autoteilegeschäften verkauft wird. MoS₂ gehört zu einer Familie von Materialien mit immensem Potenzial für Anwendungen in LEDs, Lasern, Nanotransistoren, Solarzellen und mehr.

Die Ergebnisse werden in der Ausgabe des Journals vom 7. Oktober erscheinen Wissenschaft. Zu den weiteren Forschern in diesem Artikel gehören Jeff Bokor, leitender Wissenschaftler der Fakultät am Berkeley Lab und Professor an der UC Berkeley; Chenming Hu, Professor an der UC Berkeley; Moon Kim, Professor an der University of Texas in Dallas; und HS Philip Wong, Professor an der Stanford University.

Die Entwicklung könnte der Schlüssel dazu sein, die Vorhersage des Intel-Mitbegründers Gordon Moore über die zunehmende Dichte von Transistoren am Leben zu erhalten integrierte Schaltkreise würde sich alle zwei Jahre verdoppeln und so die Leistung unserer Laptops, Mobiltelefone, Fernseher und anderer elektronischer Geräte steigern.

„Die Halbleiterindustrie ging lange davon aus, dass ein Gate unter 5 Nanometern nicht funktionieren würde, daher wurde alles darunter noch nicht einmal in Betracht gezogen“, sagte Studienleiter Sujay Desai, ein Doktorand in Javeys Labor. „Diese Forschung zeigt, dass es unter 5 Nanometer liegt Tore sollte nicht abgezinst werden. Die Industrie hat die letzte Leistungsfähigkeit aus Silizium herausgequetscht. Indem wir das Material von Silizium auf MoS2 ändern, können wir einen Transistor mit einem Gate von nur 1 Nanometer Länge herstellen und ihn wie einen Schalter bedienen.“

Wenn „Elektronen außer Kontrolle geraten“

Transistoren bestehen aus drei Anschlüssen: einer Source, einem Drain und einem Gate. Strom fließt von der Source zum Drain, und dieser Fluss wird durch das Gate gesteuert, das als Reaktion auf die angelegte Spannung ein- und ausschaltet.

Sowohl Silizium als auch MoS2 haben eine kristalline Gitterstruktur, aber durch Silizium fließende Elektronen sind leichter und stoßen im Vergleich zu MoS2 auf weniger Widerstand. Das ist ein Segen, wenn das Gate 5 Nanometer oder länger ist. Unterhalb dieser Länge tritt jedoch ein quantenmechanisches Phänomen namens Tunneln ein, und die Gate-Barriere ist nicht mehr in der Lage, die Elektronen daran zu hindern, von den Source- zu den Drain-Anschlüssen zu strömen.

„Das bedeutet, dass wir die Transistoren nicht abschalten können“, sagte Desai. „Die Elektronen sind außer Kontrolle.“

Weil Elektronen durch MoS fließen₂ schwerer sind, kann ihr Durchfluss mit kleineren Anschnittlängen gesteuert werden. MoS₂ kann auch auf atomar dünne Schichten mit einer Dicke von etwa 0,65 Nanometern und einer niedrigeren Dielektrizitätskonstante verkleinert werden, einem Maß, das die Fähigkeit eines Materials widerspiegelt, Energie in einem elektrischen Feld zu speichern. Diese beiden Eigenschaften tragen zusätzlich zur Masse des Elektrons dazu bei, die Steuerung des Stromflusses innerhalb des Transistors zu verbessern, wenn die Gate-Länge auf 1 Nanometer reduziert wird.

Sobald sie sich für MoS entschieden hatten₂ Als Halbleitermaterial war es an der Zeit, das Gate zu konstruieren. Es stellt sich heraus, dass die Herstellung einer 1-Nanometer-Struktur keine leichte Aufgabe ist. Herkömmliche Lithographietechniken funktionieren in diesem Maßstab nicht gut, daher wandten sich die Forscher Kohlenstoffnanoröhren zu, hohlen zylindrischen Röhren mit Durchmessern von nur 1 Nanometer.

Anschließend maßen sie die elektrischen Eigenschaften der Geräte und zeigten, dass der MoS2-Transistor mit dem Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Gate den Elektronenfluss effektiv kontrollierte.

„Diese Arbeit demonstrierte den kürzesten Transistor aller Zeiten“, sagte Javey, der auch Professor für Elektrotechnik und Informatik an der UC Berkeley ist. „Allerdings handelt es sich um einen Proof of Concept. Wir haben diese Transistoren noch nicht auf einen Chip gepackt, und wir haben das noch nicht milliardenfach gemacht. Wir haben auch keine selbstausrichtenden Herstellungsschemata zur Reduzierung parasitärer Widerstände im Gerät entwickelt. Aber diese Arbeit ist wichtig, um zu zeigen, dass wir für unsere Transistoren nicht mehr auf ein 5-Nanometer-Gate beschränkt sind. Durch die richtige Entwicklung des Halbleitermaterials und der Gerätearchitektur kann das Mooresche Gesetz noch eine Weile Bestand haben.“