Исследователи используют новые материалы для создания самого маленького транзистора с затвором из углеродных нанотрубок размером 1 нанометр

Уже более десяти лет инженеры ожидают финиша в гонке по уменьшению размеров компонентов интегральных схем. Они знали, что законы физики установили порог в 5 нанометров для размера транзисторных затворов среди обычных полупроводников, что составляет примерно четверть размера высокопроизводительных транзисторов с 20-нанометровым затвором, которые сейчас представлены на рынке.

 

Некоторые законы созданы для того, чтобы их нарушать или, по крайней мере, оспаривать.

Исследовательская группа под руководством научного сотрудника факультета Али Джави из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Лаборатория Беркли) при Министерстве энергетики сделала именно это, создав транзистор с работающим 1-нанометровым затвором. Для сравнения, толщина пряди человеческого волоса составляет около 50 000 нанометров.

«Мы создали самый маленький транзистор на сегодняшний день», — сказал Джейви, ведущий исследователь программы электронных материалов в отделе материаловедения лаборатории Беркли. «Длина затвора считается определяющим размером транзистора. Мы продемонстрировали транзистор с затвором размером 1 нанометр, показав, что при выборе подходящих материалов появляется гораздо больше возможностей для уменьшения нашей электроники».

Ключевым моментом было использование углеродных нанотрубок и дисульфида молибдена (MoS).₂), моторная смазка, обычно продаваемая в магазинах автозапчастей. МоС₂ является частью семейства материалов с огромным потенциалом для применения в светодиодах, лазерах, нанотранзисторах, солнечных элементах и т. д.

Результаты будут опубликованы в номере журнала от 7 октября. Наука. Среди других исследователей этой статьи — Джефф Бокор, старший научный сотрудник лаборатории Беркли и профессор Калифорнийского университета в Беркли; Ченмин Ху, профессор Калифорнийского университета в Беркли; Мун Ким, профессор Техасского университета в Далласе; и HS Филип Вонг, профессор Стэнфордского университета.

Эта разработка может стать ключом к сохранению предсказания соучредителя Intel Гордона Мура о том, что плотность транзисторов на интегральные схемы будет удваиваться каждые два года, что позволит повысить производительность наших ноутбуков, мобильных телефонов, телевизоров и другой электроники.

«В полупроводниковой промышленности долгое время предполагалось, что любой затвор размером менее 5 нанометров не будет работать, поэтому все, что ниже этого, даже не рассматривалось», — сказал ведущий автор исследования Суджей Десаи, аспирант лаборатории Джави. «Это исследование показывает, что ворота не следует сбрасывать со счетов. Промышленность выжимает из кремния все возможности до последней капли. Заменив материал с кремния на MoS2, мы можем сделать транзистор с затвором длиной всего 1 нанометр и работать с ним как с переключателем».

Когда «электроны вышли из-под контроля»

Транзисторы состоят из трех выводов: истока, стока и затвора. Ток течет от истока к стоку, и этот поток контролируется затвором, который включается и выключается в зависимости от приложенного напряжения.

И кремний, и MoS2 имеют структуру кристаллической решетки, но электроны, проходящие через кремний, легче и сталкиваются с меньшим сопротивлением по сравнению с MoS2. Это благо, когда размер ворот составляет 5 нанометров или больше. Но ниже этой длины начинается квантовомеханическое явление, называемое туннелированием, и барьер затвора больше не может удерживать электроны от прорыва от истока к стоковым терминалам.

«Это означает, что мы не можем отключить транзисторы», — сказал Десаи. «Электроны вышли из-под контроля».

Поскольку электроны, проходящие через MoS₂ тяжелее, их поток можно контролировать с помощью ворот меньшей длины. МоС₂ также может быть уменьшен до атомно тонких листов толщиной около 0,65 нанометра с более низкой диэлектрической проницаемостью — мерой, отражающей способность материала сохранять энергию в электрическом поле. Оба эти свойства, помимо массы электрона, помогают улучшить контроль течения тока внутри транзистора, когда длина затвора уменьшается до 1 нанометра.

Как только они остановились на MoS₂ Поскольку полупроводниковый материал, пришло время сконструировать затвор. Оказывается, создание 1-нанометровой структуры — немалый подвиг. Обычные методы литографии не очень хорошо работают в таком масштабе, поэтому исследователи обратились к углеродным нанотрубкам — полым цилиндрическим трубкам диаметром всего 1 нанометр.

Затем они измерили электрические свойства устройств и показали, что транзистор MoS2 с затвором из углеродных нанотрубок эффективно контролирует поток электронов.

«Эта работа продемонстрировала самый короткий транзистор в истории», — сказал Джави, который также является профессором электротехники и компьютерных наук Калифорнийского университета в Беркли. «Однако это доказательство концепции. Мы еще не упаковали эти транзисторы в чип и не делали этого миллиарды раз. Также нами не разработаны самовыравнивающиеся схемы изготовления для снижения паразитных сопротивлений в устройстве. Но эта работа важна для того, чтобы показать, что мы больше не ограничиваемся 5-нанометровым затвором для наших транзисторов. Закон Мура может действовать еще некоторое время при правильном проектировании полупроводникового материала и архитектуры устройства».