Powstał 1-nanometrowy tranzystor

Od około dekady naukowcy ostrzegają, że zbliżamy się do fizycznych granic pomniejszania podstawowego układu elektronicznego - tranzystora. Prawa fizyki nie pozwalają na stworzenie z konwencjonalnych półprzewodników bramki tranzystora o długości mniejszej niż 5 nanometrów. Obecnie powszechnie stosuje się bramki 20-nanometrowe, zatem jesteśmy bardzo blisko wspomnianej granicy. Okazuje się jednak, że nie wszystkie prawa fizyki stanowią nieprzekraczalną barierę.

Ali Javey z Lawrence Berkeley National Laboratory stoi na czele grupy naukowej, która stworzyła działający tranzystor z bramką o długości 1 nanometra. Zbudowaliśmy najmniejszy tranzystor w historii. Długość bramki definiuje rozmiary tranzystora. Zbudowaliśmy więc 1-nanometrowy tranzystor i wykazaliśmy, że przy odpowiednim doborze materiałów mamy spore możliwości pomniejszenia elektroniki - stwierdził Javey.

Kluczem do sukcesu było wykorzystanie węglowych nanorurek i disiarczku molibdenu (MoS₂), lubrykantu silnikowego dostępnego powszechnie w handlu.

Osiągnięcie zespołu Javeya oznacza, że prawo Moore'a może obowiązywać jeszcze przez dłuższy czas. Przemysł półprzewodnikowy od dawna uważał, że żadna bramka mniejsza od 5 nanometrów nie będzie działała, więc w ogóle nie rozważano budowy tak małych tranzystorów. Nasze badania dowodzą, że tranzystory mniejsze niż 5 nanometrów nie powinny być z góry odrzucane. Przemysł wykorzystuje krzem do granic możliwości. Zastępując krzem disiarczkiem molibdenu możemy stworzyć tranzystory z bramką o długości zaledwie 1 nanometra - mówi Sujay Desai, student biorący udział w pracach nad tranzystorem.

Zasadniczymi elementami tranzystora są źródło, dren i bramka. Elektrony przepływają od źródła do drenu, a przepływ kontrolowany jest przez bramkę. Zarówno krzem jak i MoS₂ mają krystaliczną strukturę, jednak elektrony przepływające przez krzem zachowują się jakby miały mniejszą masę i napotykają na mniejszy opór. Jest to zaleta przy bramkach o długości 5 nanometrów lub większej. Jednak przy krótszych bramkach pojawia się zjawisko tunelowania i bramka nie jest w stanie powstrzymać elektronu przed przepłynięciem od źródła do drenu. To oznacza, że nie można wyłączyć tranzystora i kontrolować elektronów - stwierdza Desai.

Jako, że elektrony przepływające przez MoS₂ są "cięższe", ich ruch można kontrolować za pomocą mniejszych bramek. Ponadto MoS₂ może być produkowany w płachtach o grubości zaledwie 0,65 nanometra, z niższą stałą dielektryczną, która jest wskaźnikiem zdolności materiału do przechowania energii w formie pola elektrycznego. Obie te właściwości w połączeniu z masą elektronu pozwalają na lepszą kontrolę przepływu elektronów nawet gdy długość bramki wynosi zaledwie 1 nanometr.
Uczeni, gdy już zdecydowali się na wykorzystanie disiarczku molibdenu w miejsce krzemu musieli jeszcze zbudować bramkę. Współczesne techniki litograficzne nie działają dobrze w tak małych skalach, dlatego też wykorzystano węglowe nanorurki, których średnica wynosi 1 nanometr. W ten sposób powstał nowy tranzystor, a eksperymenty wykazały, że pozwala on na efektywne kontrolowanie przepływu elektronów.

Ali Javey podkreśla, że dotychczas stworzono tylko pojedynczy prototyp. Nie umieściliśmy jeszcze naszych tranzystorów w układzie scalonym i nie upakowaliśmy tam miliardów takich urządzeń. Nie stworzyliśmy też procesów produkcyjnych, które pozwoliłyby na redukcję oporu pasożytniczego w urządzeniu. Jednak nasze prace wykazały, że nie jesteśmy już ograniczeni 5-nanometrową bramką. Prawo Moore'a będzie obowiązywało nieco dłużej.

tranzystor bramka krzem disiarczek molibdenu węglowe nanorurki