Теперь, однако, вскоре может стать возможным следующий большой шаг миниатюризации – с так называемыми «двумерными (2D) материалами», которые могут состоять только из одного атомного слоя. С помощью нового изолятора из фторида кальция ученые из TU Wien (Вена) создали ультратонкий транзистор, который имеет превосходные электрические свойства и, в отличие от предыдущих технологий, может быть уменьшен до чрезвычайно малых размеров.
Новая технология представлена в журнале Nature Electronics.
Ультратонкие полупроводники и изоляторы
В последние годы в исследованиях полупроводниковых материалов, необходимых для изготовления транзисторов, произошел значительный прогресс. Сегодня ультратонкие полупроводники могут быть изготовлены из 2D-материалов, состоящих всего из нескольких атомных слоев. «Но этого недостаточно для создания сверхмалого транзистора», – говорит профессор Тибор Грассер из Института микроэлектроники в Венском техническом университете. «Помимо сверхтонкого полупроводника, нам также нужен ультратонкий изолятор."
Это связано с фундаментальной структурой конструкции транзистора: ток может течь от одной стороны транзистора к другой, но только если напряжение приложено к середине, создавая электрическое поле. Электрод, создающий это поле, должен быть электрически изолирован от самого полупроводника. «Транзисторные эксперименты с ультратонкими полупроводниками уже проводились, но до сих пор они сочетались с обычными изоляторами», – говорит Тибор Грассер. «Нет особой пользы от уменьшения толщины полупроводника, когда его все еще нужно комбинировать с толстым слоем изоляционного материала.
Такой транзистор невозможно миниатюризировать. Кроме того, оказалось, что при очень малых масштабах длины поверхность изолятора нарушает электронные свойства полупроводника."
Поэтому Юрий Илларионов, постдок команды Тибора Грассера, попробовал новаторский подход. Он использовал ультратонкие 2D-материалы не только для полупроводниковой части транзистора, но и для изолирующей части.
Выбрав ультратонкие изоляционные материалы, такие как ионные кристаллы, можно построить транзистор размером всего несколько нанометров. Электронные свойства улучшаются, потому что ионные кристаллы могут иметь идеально правильную поверхность без единого атома, выступающего из поверхности, который мог бы нарушить электрическое поле. «Обычные материалы имеют ковалентные связи в третьем измерении – атомы, которые соединяются с соседними материалами сверху и снизу», – объясняет Тибор Грассер. "Это не относится к 2D-материалам и ионным кристаллам, поэтому они не влияют на электрические свойства полупроводника."
Прототип – чемпион мира
Для изготовления нового сверхтонкого транзистора в качестве изоляционного материала был выбран фторид кальция.
Слой фторида кальция был изготовлен в Институте Иоффе в Санкт-Петербурге. Санкт-Петербург, откуда родился первый автор публикации Юрий Илларионов до того, как присоединился к коллективу в Вене.
Сам транзистор был произведен проф. Команда Томаса Мюллера из Института фотоники в Венском техническом университете и анализ в Институте микроэлектроники.
Самый первый прототип уже превзошел все ожидания: «В течение многих лет мы получали большое количество различных транзисторов для исследования их технических свойств, но мы никогда не видели ничего подобного нашему транзистору с изолятором из фтористого кальция», – говорит Тибор Грассер. «Прототип с превосходными электрическими характеристиками превосходит все предыдущие модели."
Теперь команда хочет выяснить, какие комбинации изоляторов и полупроводников работают лучше всего. Может пройти еще несколько лет, прежде чем эту технологию можно будет использовать для коммерчески доступных компьютерных микросхем, поскольку процессы производства слоев материала все еще нуждаются в улучшении. «В целом, однако, нет никаких сомнений в том, что транзисторы из 2D-материалов – это очень интересный вариант для будущего», – говорит Тибор Грассер. "С научной точки зрения очевидно, что фториды, которые мы только что проверили, в настоящее время являются лучшим решением проблемы изолятора.
Осталось ответить только на несколько технических вопросов. "
Этот новый тип меньшего и более быстрого транзистора должен позволить компьютерной индустрии сделать следующий большой шаг. Таким образом, закон Мура о экспоненциальном увеличении мощности компьютера вскоре может снова ожить.