ScienceDaily
2019_278_10
Kmalu bi se lahko dogodil mogoč naslednji velik korak pri miniaturizaciji mikroelektronike – s pomočjo tako imenovanih dvodimenzionalnih materialov.
Znanstveniki so s pomočjo novega izolatorja iz kalcijevega fluorida ustvarili ultra tanek tranzistor, ki ima odlične električne lastnosti in ga je v nasprotju s prejšnjimi tehnologijami mogoče izdelati v izjemno majhnih velikosti. Desetletja so tranzistorji na naših mikročipih postajali manjši, hitrejši in cenejši. Približno vsaki dve leti se je število vgrajenih tranzistorjev v komercialnih čipih podvojilo – ta pojav je postal znan kot “Moorov zakon.” Vendar Moorov zakon že nekaj let ne drži več. Miniaturizacija je dosegla naravno fizično mejo, saj se pri dimenzijah le nekaj nanometrov pojavijo popolnoma nove težave. Z odkritji zadnjih raziskav pa bi lahko sprožili naslednji večji korak pri miniaturizaciji – s tako imenovanimi “dvodimenzionalnimi (2D) materiali”, ki so lahko sestavljeni iz ene same atomske plasti. S pomočjo novega izolatorja iz kalcijevega fluorida so znanstveniki na TU Dunaju ustvarili ultra tanek tranzistor, ki ima odlične električne lastnosti in ga je v nasprotju s prejšnjimi tehnologijami mogoče izdelati izjemno majhnih dimenzij. Nova tehnologija je zdaj predstavljena v reviji Nature Electronics.
Ultra tanki polprevodniki in izolatorji
Raziskave v zvezi s polprevodniškimi materiali, ki so potrebni za izdelavo tranzistorjev, so v zadnjih letih močno napredovale. Danes so ultra tanki polprevodniki lahko izdelani iz 2D materialov, sestavljenih iz le nekaj atomskih plasti. “Toda to ne zadostuje za izdelavo izjemno majhnega tranzistorja,” pravi profesor Tibor Grasser z Inštituta za mikroelektroniko na TU Wien. “Poleg ultra tankega polprevodnika potrebujemo tudi ultra tanek izolator.”
To je posledica temeljne konstrukcijske zgradbe tranzistorja: tok lahko teče z ene strani tranzistorja na drugo, vendar le, če je na sredini napetost, ki ustvarja električno polje. Elektroda, ki zagotavlja to polje, mora biti električno izolirana od samega polprevodnika. ” Doslej so že poskusili izdelati tranzistor z ultra tankimi polprevodniki, vendar doslej le v kombinaciji z navadnimi izolatorji,” pravi Tibor Grasser. “Pri zmanjševanju debeline polprevodnika ne pridobimo veliko, če ga še vedno kombiniramo z debelo plastjo izolacijskega materiala. Takšnega tranzistorja pač ni več mogoče zmanjševati. Prav tako se je pri zelo majhnih dimenzijah izolacijske površine izkazalo, da motijo elektronske lastnosti polprevodnika. ”
Zato je Yury Illarionov iz ekipe Tiborja Grasserja poskusil nov pristop. Uporabljal je ultra tanke 2D-materiale ne le za polprevodniški del tranzistorja, temveč tudi za izolacijski del. Z izbiro ultra tankih izolacijskih materialov, kot so ionski kristali, je mogoče izdelati tranzistor velikosti le nekaj nanometrov. Elektronske lastnosti so izboljšane, ker imajo ionski kristali lahko popolnoma pravilno površino, ne da bi iz telesa štrlel en sam atom, kar bi lahko motilo električno polje. “Konvencionalni materiali imajo kovalentne vezi v tretji dimenziji – atome, ki se povezujejo s sosednjimi materiali zgoraj in spodaj,” razlaga Tibor Grasser. “To pa ne velja za 2D materiale in ionske kristale, zato ne posegajo v električne lastnosti polprevodnika.”
Prototip je svetovni prvak
Za izdelavo novega zelo tankega tranzistorja je bil kot izolacijski material izbran kalcijev fluorid. Plast kalcijevega fluorida so izdelali na Inštitutu Ioffe v Sankt Peterburgu, od koder izhaja tudi prvi avtor publikacije Yury Illarionov, preden se je pridružil ekipi na Dunaju. Tranzistor je nato izdelala ekipa profesorja Thomasa Müllerja na Inštitutu za fotoniko na TU Wien in ga kasneje analizirala na Inštitutu za mikroelektroniko. Že čisto prvi prototip je takoj presegel vsa pričakovanja: “Dolga leta smo imeli opravka s kar precej različnimi tranzistorji, ko smo raziskovali njihove tehnične lastnosti – vendar doslej nismo nikoli srečali česa podobnega, kot je naš tranzistor z izolatorjem iz kalcijevega fluorida,” pravi Tibor Grasser. “Prototip je s svojimi vrhunskimi električnimi lastnostmi zasenčil vse prejšnje poskuse v tej smeri. Zdaj poskuša ekipa ugotoviti, katere kombinacije izolatorjev in polprevodnikov delujejo najbolje. Lahko bo minilo še nekaj let, preden bo tehnologija uporabljena za komercialno dostopne računalniške čipe, saj je treba še izboljšati proizvodne procese za posamezne plasti materiala. “Vendar na splošno ni dvoma, da so tranzistorji, izdelani iz 2D materialov, zelo obetavna možnost za prihodnost,” pravi Tibor Grasser. “Z znanstvenega vidika je jasno, da so fluoridi, ki smo jih zdaj preskusili, trenutno najboljša rešitev za težave z izolatorjem. Čaka pa nas še iskanje pravih odgovorov na nekatera tehnična vprašanja.” Ta nova vrsta še manjših in še hitrejših tranzistorjev naj bi računalniški industriji omogočila naslednji velik korak in s tem bi Moorov zakon eksponentnega povečevanja računalniške moči lahko kmalu spet zaživel.
Vir:https://www.sciencedaily.com/releases/2019/07/190724103818.htm
Vienna University of Technology
