В технологии не было большего волшебства, чем ловкость рук в исполнении закона Мура . Электронные компоненты, которые когда-то помещались на вашей ладони, давно превратились в атомы, исчезнув из нашего мира и поселившись в квантовой сфере.
Но сейчас мы стираем горькие пределы этой тенденции. В статье, опубликованной в журнале Nature на этой неделе, ученые из Университета Цинхуа в Шанхае написали, что они построили затвор графенового транзистора длиной 0,34 нанометра (нм), что примерно равно размеру одного атома углерода.
Затвор, компонент микросхемы, который включает и выключает транзисторы, является критической мерой размера транзистора. Предыдущие исследования уже увеличили длину затвора доодного нанометра и ниже . Благодаря уменьшению длины ворот до размера отдельных атомов последняя работа устанавливает новую отметку, которую будет трудно превзойти. «В будущем людям будет практически невозможно сделать длину затвора меньше 0,34 нм», — сказал IEEE Spectrum старший автор статьи Тянь-Линг Рен. «Это может быть последний узел для закона Мура».
Травление 2D-сэндвича
Транзисторы имеют несколько основных компонентов: исток, сток, канал и затвор. Электрический ток течет от источника, через канал, мимо затвора и в сток. Затвор включает или выключает этот ток в зависимости от приложенного к нему напряжения.
Недавние достижения в миниатюризации транзисторных затворов основаны на некоторых интересных материалах. Например, в 2016 году исследователи использовали углеродные нанотрубки — листы углерода толщиной в один атом, свернутые в цилиндры — и двумерный материал, называемый дисульфидом молибдена, для достижения длины затвора в один нанометр. Кремний является лучшим полупроводником, поскольку электрические токи сталкиваются с большим сопротивлением в дисульфиде молибдена, но когда длина затвора падает ниже пяти нанометров, электроны просачиваются через затворы в кремниевых транзисторах. Естественная стойкость дисульфида молибдена предотвращает эту утечку в мельчайших масштабах.
Основываясь на этой предыдущей работе, исследователи в последнем исследовании также выбрали дисульфид молибдена в качестве материала канала и затвора на основе углерода. Но вместо углеродных нанотрубок, которые имеют нанометр в поперечнике, они стали меньше. Разверните нанотрубку, и вы получите лист из атомов углерода, называемый графеном. Графен обладает множеством интересных свойств, одним из которых является отличная проводимость. Ширина и длина листа графена, конечно, больше, чем у нанотрубки, но толщина края составляет один атом углерода. Команда умело использовала это свойство.
Сначала они уложили слой кремния для базовой структуры. Затем, используя метод производства графена, называемый химическим осаждением из паровой фазы, они уложили лист графена поверх диоксида кремния и слой оксида алюминия поверх графена. Оксид алюминия и диоксид кремния, окружающие графен, действуют как изоляторы, эффективно отсекая его электрические свойства от остальной части транзистора. Затем они проткнули сэндвич-материалы, чтобы создать ступеньку — той же формы, что и лестница в вашем доме, — и в процессе обнажили край листа графена на вертикальной стенке ступеньки, создав таким образом ворота атомарной толщины. Они называют эту конструкцию «транзистор боковой стенки».
Наконец, поверх ступени команда нанесла слой оксида гафния, чтобы добавить немного пространства между затвором и каналом, и слой дисульфида молибдена, чтобы сформировать канал. Затем они добавили два металлических электрода, один на верхнюю ступеньку и один на нижнюю, в качестве истока и стока.
Транзистор боковой стенки с графеновым затвором. Изображение предоставлено: Ву, Ф., Тиан, Х., Шен, Ю. и др. Вертикальные транзисторы MoS2 с длиной затвора менее 1 нм. Природа 603, 259–264 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04323-3
Важно отметить, что новая техника не требует от исследователей точного позиционирования графена, чтобы ворота работали. Это одна из больших проблем использования углеродных нанотрубок — не так уж сложно заставить их располагаться именно там, где они нужны.
Подробнее Мур
Чтобы было ясно, работа является доказательством концепции: исследователи не масштабировали подход. Изготовление горстки транзисторов — это не то же самое, что изготовление миллиардов на чипе и безупречное изготовление миллиардов этих чипов для использования в ноутбуках и смартфонах. Рен также отмечает, что 2D-материалы, такие как дисульфид молибдена, по-прежнему дороги, а производство высококачественных материалов в больших масштабах является проблемой.
Новые технологии, такие как кремниевые транзисторы с универсальным затвором , скорее всего, появятся в вашем ноутбуке или телефоне в ближайшие несколько лет. Кроме того, стоит отметить, что результат закона Мура — что компьютеры будут продолжать становиться более мощными и дешевыми с экспоненциальной скоростью — также может быть вызван программными настройками или изменениями архитектуры, такими как использование третьего измерения для размещения компонентов поверх одного. еще один.
Тем не менее, исследование действительно исследует и лучше определяет острую грань миниатюризации, возможно, устанавливая нижнюю границу, которая не может быть нарушена в течение многих лет. Он также демонстрирует умный способ использования наиболее желательных свойств 2D-материалов в микросхемах. И если его доработать, подход, который не зависит от точного позиционирования компонентов и опирается на уже распространенные технологии производства микросхем, похоже, имеет некоторый потенциал для масштабирования.
Несмотря на это, уменьшение размеров электронных компонентов с дюймов до атомов за относительно короткий промежуток времени остается одним из самых изящных трюков науки и техники.
Изображение предоставлено: Юлисса Тагле / Unsplash
Ищете способы опережать темпы изменений? Переосмыслите, что возможно. Присоединяйтесь к тщательно подобранной эксклюзивной группе из 80 руководителей для участия в флагманской программе Singularity Executive Program (EP) — пятидневной полностью захватывающей программе трансформации лидерства, которая меняет существующие способы мышления. Откройте для себя новое мышление, набор инструментов и сеть коллег-футуристов, стремящихся найти решения для быстрых изменений в мире. Нажмите здесь, чтобы узнать больше и подать заявку сегодня!