Ny studie: extremt tunna transistorer kan bana väg för kraftfullare mikrochip
Forskare vid Chalmers tekniska högskola och Stanford University har demonstrerat att transistorer byggda av halvledarmaterial som bara är ett atomlager tunna går att krympa ner till mycket små storlekar utan att prestandan försämras. Fyndet öppnar för att framtidens mikrochip kan bli både snabbare och mer energisnåla än vad dagens kiselbaserade teknik klarar av.
Dagens avancerade elektronik bygger nästan uteslutande på kiselbaserade transistorer. Genom att göra transistorerna allt mindre har halvledarindustrin under flera decennier ökat beräkningskapaciteten, minskat energiförbrukningen och pressat in allt fler funktioner på mindre ytor.
Men när dagens mest avancerade transistorer närmar sig storlekar på bara några få nanometer blir det allt svårare att fortsätta minska komponenterna med traditionell kiselteknik. Därför undersöker forskare nya material som kan komplettera eller på längre sikt ersätta delar av dagens halvledarplattformar.
Ett av de mest lovande områdena är tvådimensionella halvledare, så kallade 2D-material. Dessa material består av atomtunna lager och kan ge bättre kontroll över elektriska laddningar även när komponenterna blir extremt små, rapporterar Chalmers på sin hemsida. Ett exempel är molybdendisulfid (MoS2), ett material som tillhör gruppen övergångsmetalldikalkogenider.
Frågan som forskarna ställt sig är huruvida dessa atomtunna material kan behålla sina egenskaper när transistorerna skalas ned till de dimensioner som krävs för framtida massproduktion. Något som visat sig fullt möjligt.
I studien, publicerad i Nature Nanotechnology, har forskarna tillverkat 2D-transistorer med kanaler så tunna som 25 nanometer, vilket motsvarar ungefär en tre tusendels millimeter och är omkring 3 000 gånger smalare än ett mänskligt hårstrå.
Trots den extremt lilla storleken kunde transistorerna fungera med hög prestanda – jämförbar med betydligt större 2D-transistorer. Tillverkningen och de elektriska mätningarna har genomförts vid Stanford University i USA, medan efterföljande dataanalys utfördes vid Chalmers tekniska högskola.
– Det här är några av de smalaste 2D-transistorer som hittills har visats fungera med så god prestanda, säger Anton Persson, biträdande universitetslektor vid Chalmers tekniska högskola.
Anton Persson är en av studiens huvudförfattare och har tidigare varit postdoktor vid Stanford University.
– Det som är särskilt uppmuntrande, och som faktiskt överraskade oss, är att transistorerna fortsatte att fungera väl även när kanalerna gjordes extremt smala. Det har länge varit en obesvarad fråga om 2D-transistorer kan göras så små som krävs i framtida massproduktion, säger Anton Persson i en artikel på Chalmers hemsida.
Ny tillverkningsmetod möjliggjorde smalare transistorer
När transistorkanaler görs mindre får kanternas egenskaper större betydelse. Defekter i materialets kanter kan påverka hur elektroner rör sig genom transistorn och därmed försämra prestandan.
För att hantera detta utvecklade forskarna en ny transistorutformning baserad på en så kallad ”dog-bone”-struktur. Konstruktionen innebär att själva transistorkanalen görs mycket smal, medan bredare områden under metallkontakterna hjälper till att stabilisera det känsliga atomtunna materialet under tillverkningen.
Forskarna använde även en avancerad flerstegsprocess för mönstring där materialet etsades från olika håll. Metoden gjorde det möjligt att skapa extremt smala kanaler samtidigt som transistorernas elektriska egenskaper kunde bevaras.
Studien omfattade tre olika 2D-halvledare: molybdendisulfid (MoS2), volframdisulfid (WS2) och volframdiselenid (WSe2). Samtliga material kunde användas för att tillverka transistorer som kunde slås på och av med prestanda i nivå med betydligt större komponenter.
Volframdisulfid-transistorerna visade särskilt lovande resultat.
– Transistorerna av volframdisulfid var särskilt anmärkningsvärda. Tack vare högre materialkvalitet och förbättrade kontakter var deras strömtäthet mer än hundra gånger högre än i tidigare rapporterade 2D-transistorer av samma typ, säger Anton Persson.
Enligt Tara Peña, postdoktor i elektroteknik vid Stanford och en av studiens huvudförfattare, var den förbättrade nanotillverkningen avgörande för resultaten.
– Vår förbättrade metod för nanotillverkning var avgörande för att vi skulle kunna nå de här resultaten. Vi hoppas att andra forskare kommer att ta efter och fortsätta utveckla 2D-komponenter i de storlekar som krävs för framtidens chip, säger Tara Peña på Chalmers hemsida.
Kan bidra till nästa generations elektronik
Forskarna betonar att tekniken inte innebär att kisel kommer att ersättas inom den närmaste framtiden, men resultaten visar att ett av de stora hindren för 2D-transistorer kan vara mindre begränsande än man tidigare trott.
– Atomtunna 2D-halvledare har många spännande materialegenskaper som gör att vi kan utforska vad som kan bli möjligt bortom dagens kiselbaserade elektronik. På sikt kan teknik baserad på de här materialen bidra till både kraftfullare och mer energieffektiv elektronik, säger Anton Persson.
Eric Pop, professor vid Stanford, framhåller samtidigt att resultaten ska ses som ett viktigt forskningssteg snarare än en färdig kommersiell teknik.
– Våra resultat betyder inte att atomtunna 2D-halvledare är redo att ersätta kisel i morgon. Men de visar att ett av de stora frågetecknen kan vara mindre begränsande än man tidigare trott, säger Eric Pop.
Forskningsprojektet har finansierats av bland annat Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse, DARPA, Semiconductor Research Corporation, National Science Foundation, Intel, Samsung Electronics och TSMC genom SystemX Alliance.
Studien Scaling nanoribbon transistors with monolayer transition metal dichalcogenides har publicerats i Nature Nanotechnology.
