Νανοτεχνολογία: Ερευνητές με χρήση καινοτόμου υλικού κατασκευάζουν το μικρότερο μέχρι σήμερα τρανζίστορ

Για περισσότερο από μια δεκαετία οι μηχανικοί έβλεπαν την τελική γραμμή στην κούρσα για τη συρρίκνωση του μεγέθους των συστατικών στοιχείων των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Γνώριζαν ότι οι νόμοι της φυσικής είχαν θέσει ένα κατώφλι των 5 νανομέτρων στο μέγεθος των πυλών των τρανζίστορ μεταξύ των συμβατικών ημιαγωγών, περίπου το ένα τέταρτο του μεγέθους μιας πύλης τρανζίστορ των 20 νανομέτρων.

Όμως κάποιοι νόμοι έγιναν για να σπάζουν ή τουλάχιστον να αμφισβητούνται. Η ομάδα των ερευνητών υπό την ηγεσία του Ali Javey (εικόνα), επιστήμονα στο Τμήμα Ενέργειας του Εθνικού Εργαστηρίου Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) έκανε ακριβώς αυτό δημιουργώντας ένα τρανζίστορ με μια λειτουργούσα πύλη του 1 νανομέτρου. Για λόγους σύγκρισης σημειώνεται ότι μια ανθρώπινη τρίχα είναι περίπου 50000 νανόμετρα λεπτή. «Επιδείξαμε ένα τρανζίστορ με πύλη 1 νανομέτρου, δείχνοντας ότι με επιλογή καθαρών υλικών υπάρχει πολύς χώρος για να συρρικνώσουμε να ηλεκτρονικά μας», είπε ο Javey.

Το κλειδί ήταν η χρήση νανοσωλήνων άνθρακα και διθειούχου μολυβδαίνιου (MoS2), ένα λιπαντικό μηχανής που συνήθως πωλείται στα καταστήματα με ανταλλακτικά αυτοκινήτου. Το διθειούχο μολυβδαίνιο είναι μέρος μιας οικογένειας υλικών με τεράστιες δυνατότητες για εφαρμογές σε LEDs, λέιζερ, τρανζίστορ σε επίπεδο νανοκλίμακας, ηλιακά κύτταρα και αλλού. Η ανάπτυξη αυτού του τρανζίστορ θα μπορούσε να είναι βασική για να κρατηθεί ζωντανή η πρόβλεψη του συνιδρυτή της Intel, Gordon Moore, ότι η πυκνότητα των τρανζίστορ στα ολοκληρωμένα κυκλώματα θα διπλασιάζεται κάθε δυο χρόνια, επιτρέποντας την αύξηση της απόδοσης των λάπτοπ, των κινητών τηλεφώνων, των τηλεοράσεων και άλλων ηλεκτρονικών συσκευών.

Σχηματική παρουσίαση ενός τρανζίστορ με ένα κανάλι διθειούχου μολυβδαινίου και μια πύλη από νανοσωλήνα άνθρακα 1 νανομέτρου (Credit: Sujay Desai/UC Berkeley)

Όταν τα ηλεκτρόνια είναι εκτός ελέγχου

Γενικά τα τρανζίστορ ή κρυσταλλοτρίοδος, επί το ελληνικότερον, συνίσταται από τρεις ακροδέκτες. Αυτοί στα κοινά τρανζίστορ ονομάζονται βάση, συλλέκτης και εκπομπός, ενώ στα Τρανζίστορ Επίδρασης Πεδίου (Field Effect Transistor ή FET) οι ακροδέκτες ονομάζονται πύλη, πηγή και απαγωγός. Στα FET η λειτουργία βασίζεται στον έλεγχο ενός εσωτερικού ηλεκτρικού πεδίου με την εφαρμογή εξωτερικού δυναμικού στον ακροδέκτη που ονομάζεται πύλη. Το πεδίο αυτό ελέγχει την αγωγιμότητα μεταξύ των άλλων δυο ακδροδεκτών, της πηγής και του απαγωγού.

Τόσο το πυρίτιο, όσο και το διθειούχο μολυβδαίνιο έχουν δομή κρυσταλλικού πλέγματος, αλλά τα ηλεκτρόνια που ρέουν μέσω του πυριτίου είναι ελαφρύτερα και συναντούν μικρότερη αντίσταση σε σύγκριση με το διθειούχο μολυβδαίνιο. Αυτό είναι πολύ καλό όταν η πύλη είναι 5 νανόμετρα ή μεγαλύτερη. Αλλά κάτω από αυτό το μήκος, ένα κβαντομηχανικό φαινόμενο κάνει την εμφάνισή του και το φράγμα της πύλης δεν είναι ικανό να κρατήσει τα ηλεκτρόνια από το να περάσουν από την πηγή στον απαγωγό. «Αυτό σημαίνει ότι δεν μπορούμε να κλείσουμε τα τρανζίστορ και τα ηλεκτρόνια είναι εκτός ελέγχου», αναφέρεται από τους επιστήμονες.

Επειδή τα ηλεκτρόνια ρέοντας μέσω του διθειούχου μολυβδαίνιου είναι βαρύτερα, η ροή τους μπορεί να ελεγχθεί με μικρότερα μήκη πύλης. Το διθειούχο μολυβδαίνιο μπορεί επίσης να κλιμακωθεί προς τα κάτω σε λεπτά φύλλα ατομικού επιπέδου, περίπου 0,65 νανόμετρα λεπτά, με χαμηλότερη διηλεκτρική σταθερά, ένα μέτρο που μετράει την ικανότητα ενός υλικού να αποθηκεύει ενέργεια σε ένα ηλεκτρικό πεδίο. Και οι δυο αυτές ιδιότητες, επιπροσθέτως με την μάζα του ηλεκτρονίου, βοηθούν να βελτιωθεί ο έλεγχος του ρεύματος μέσα στο τρανζίστορ όταν το μήκος της πύλης μειώνεται στο 1 νανόμετρο.

Στην κλίμακα αυτή οι συμβατικές λιθογραφικές τεχνικές που χρησιμοποιούνται για την εκτύπωση των κυκλωμάτων δεν λειτουργούν σωστά και έτσι οι ερευνητές στράφηκαν στους νανοσωλήνες άνθρακα, κούφιοι κυλινδρικοί σωλήνες με διάμετρο τόσο μικρή όσο 1 νανόμετρο.

Πηγή: Berkeley Lab

Περισσότερα στη δημοσίευση: MoS2 transistors with 1-nanometer gate lengths. Science 07 Oct 2016 (Vol. 354, Issue 6308, pp. 99-102)