Закон Мура: вчені щойно зробили затвор на графеновому транзисторі завширшки з атом

 У технології не було більшого магічного акту, ніж спритність рук, здійснена законом Мура . Електронні компоненти, які колись поміщалися у вашій долоні, давно стали атомними, зникли з нашого світу, щоб оселитися в квантовій сфері.

Але зараз ми зрушуємо гіркі межі цієї тенденції. У статті, опублікованій цього тижня в Nature , вчені з Університету Цінхуа в Шанхаї написали, що вони створили графеновий транзисторний затвор довжиною 0,34 нанометра (нм) або розміром приблизно з один атом вуглецю,пише Singularityhub.

Затвор, компонент мікросхеми, який вмикає та вимикає транзистори, є критичним показником розміру транзистора. Попередні дослідження вже збільшили довжину воріт до одного нанометра і нижче . Зменшуючи довжину воріт до розміру окремих атомів, остання робота встановлює нову позначку, яку буде важко подолати. «У майбутньому для людей буде майже неможливо створити довжину воріт менше 0,34 нм», — сказав IEEE Spectrum старший автор статті Тянь-Лін Рен . «Це може бути останнім вузлом для закону Мура».

Гравлення 2D сендвіча

Транзистори мають кілька основних компонентів: джерело, сток, канал і затвор. Електричний струм тече від джерела, через канал, повз воріт і в дренаж. Затвор вмикає або вимикає цей струм залежно від прикладеної до нього напруги.

Останні досягнення в екстремальній мініатюризації транзисторного затвора спираються на деякі захоплюючі матеріали. У 2016 році, наприклад, дослідники використовували вуглецеві нанотрубки — листи вуглецю товщиною в один атом, згорнуті в циліндри — і двовимірний матеріал під назвою дисульфід молібдену, щоб досягти довжини затвора в один нанометр. Кремній є кращим напівпровідником, оскільки електричні струми зустрічають більший опір у дисульфіді молібдену, але коли довжина затвора падає нижче п’яти нанометрів, електрони протікають через затвори в кремнієвих транзисторах. Природна стійкість дисульфіду молібдену запобігає цьому витоку в найдрібніших масштабах.

Виходячи з цієї попередньої роботи, дослідники в останньому дослідженні також вибрали дисульфід молібдену для свого матеріалу каналу та воріт на основі вуглецю. Але замість вуглецевих нанотрубок, які мають нанометр в діаметрі, вони виглядали меншими. Розгорніть нанотрубку, і ви отримаєте лист з атомів вуглецю, який називається графеном. Графен володіє всілякими цікавими властивостями, однією з яких є чудова електропровідність. Ширина і довжина графенового листа, звичайно, більше, ніж у нанотрубки, але край має товщину в один атом вуглецю. Команда вміло скористалася цим майном.

Спочатку вони поклали шар діоксиду кремнію для базової конструкції. Потім, використовуючи метод виробництва графену, який називається хімічним осадженням з пари, вони поклали лист графену поверх діоксиду кремнію і шар оксиду алюмінію поверх графену. Оксид алюмінію та діоксид кремнію, що знаходяться у графені, діють як ізолятори, ефективно відрізаючи його електричні властивості від решти транзистора. Потім вони вигравали в затиснуті матеріали, щоб створити сходинку — такої ж форми, як сходи у вашому домі — і в процесі оголили край графенового листа у вертикальній стінці сходинки, створивши таким чином атомарно тонкі ворота. Вони називають цю конструкцію «транзистором з боковою стінкою».

Нарешті, на сходинку команда поклала шар оксиду гафнію — щоб додати трохи простору між затвором і каналом — і шар дисульфіду молібдену для формування каналу. Потім вони додали два металеві електроди, один на верхній сходинці, а другий на нижній, як джерело і стік.

Боковий транзистор з графеновим затвором. Автори зображення: Ву Ф., Тянь Х., Шен Ю. та ін. Вертикальні MoS2 транзистори з довжиною затвора менше 1 нм. (Фото: singularityhub.com)

Важливо, що нова техніка не вимагає від дослідників точного розташування графену, щоб ворота працювали. Це одна з найбільших проблем використання вуглецевих нанотрубок — неважко змусити їх оселитися саме там, де вони потрібні.

Більше Мура

Щоб було зрозуміло, робота є доказом концепції: дослідники не значуще масштабували підхід. Виготовити кілька транзисторів – це не те саме, що виготовити мільярди на чіпі та бездоганно виготовити мільярди цих чіпів для використання в ноутбуках і смартфонах. Рен також зазначає, що 2D-матеріали, як-от дисульфід молібдену, все ще дорогі, а виробництво високоякісних матеріалів у великих масштабах є проблемою.

Нові технології, як -от кремнієві транзистори , що мають загальний доступ, найімовірніше, з’являться у вашому ноутбуці чи телефоні в найближчі кілька років. Крім того, варто зазначити, що результат Закону Мура — що комп’ютери продовжуватимуть ставати потужнішими та дешевшими з експоненційною швидкістю — також може бути обумовлено налаштуваннями програмного забезпечення або змінами архітектури, наприклад використання третього виміру для розміщення компонентів поверх одного. інший.

Тим не менш, дослідження досліджує та краще визначає зовнішні межі мініатюризації, можливо, встановлюючи нижню межу, яку можна не порушувати роками. Він також демонструє розумний спосіб використання найбільш бажаних властивостей 2D-матеріалів у мікросхемах. І якщо доопрацювати підхід, який не покладається на точне розташування компонентів і спирається на вже поширені технології виробництва мікросхем, здається, має певний потенціал для масштабування.

• Десять найбільших ідей в історії науки

Незважаючи на це, зменшення розміру електронних компонентів від дюймів до атомів протягом відносно короткого проміжку десятиліть залишається одним із найвишуканіших трюків науки та техніки, і ця робота виводить цю тенденцію до нової крайності.