16 марта 2022

Ученые создали транзисторный затвор размером менее одного нанометра

Закон Мура, который многие называют причиной постоянно растущей миниатюризации компьютерных компонентов, возможно, только что достиг своего предела. Ученым удалось создать затвор транзистора, ключевого электронного компонента, длиной менее одного нанометра, что составляет примерно размер атома. Это достижение может открыть путь к разработке процессоров следующего поколения.

По мнению исследователей из Университета Синхуа в Шанхае, стоящих за этим прорывом, о котором подробно рассказывается в журнале Nature, выйти за эти пределы в миниатюризации электроники будет непросто.

"В будущем будет практически невозможно изготовить затвор короче 0,34 нм", — отмечает в статье IEEE Spectrum Тянь-Линг Рен, инженер-электрик из Университета Синхуа и один из исследователей, работающих над проектом. "Это может стать последним узлом закона Мура".

Этот знаменитый "закон" был сформулирован доктором Гордоном Э. Муром и предполагает, среди прочего, удвоение каждые два года количества транзисторов, присутствующих в микросхеме микропроцессора. Это, грубо говоря, кривая эволюции миниатюризации.

Такая миниатюризация играет важную роль в эволюции электронных устройств: этот новый этап, по мнению ученых, поэтому "представляет интерес для разработки электронных устройств нового поколения". Вклад команды особенно заметен на уровне затвора транзистора, который им удалось уменьшить до 0,34 нанометра в длину.

Транзистор — это ключевое электронное устройство, которое выпрямляет, модулирует или усиливает электрический ток. Он присутствует в большинстве схем и состоит из 4 важнейших элементов. Канал, в котором течет электричество, источник и сток, которые являются двумя "терминалами", и затвор, который действует как "переключатель" потока между источником и стоком в зависимости от напряжения, приложенного к нему. Уменьшение размера этого затвора является одним из ключей к миниатюризации транзистора.

Ученые не первые, кто резко сократил его масштабы. Их исследование основано, среди прочего, на исследованиях предыдущей группы, которым удалось достичь 1 нанометра для сетки. Для этого они использовали углеродные нанотрубки. Углеродные нанотрубки представляют собой "листы" углерода толщиной в один атом, свернутые в крошечные цилиндры. Они также использовали дисульфид молибдена.

Хотя кремний является лучшим полупроводником, при работе в очень малых масштабах этот материал уже не способен "удерживать" электроны, которые просачиваются сквозь него. Поэтому, основываясь на выводах своих предшественников, ученые также решили построить канал транзистора из молибдена и использовать углерод. Однако вместо нанотрубок они использовали графен — лист углерода толщиной в один атом. Так сказать, "развернутая" трубка из наноуглерода. Графен, который удалось синтезировать совсем недавно, изучается во многих исследовательских проектах благодаря своим удивительным свойствам. Одним из них является очень хорошая проводимость, что было весьма полезно в данном случае.

Транзистор боковой стенки с графеновым затвором

Чтобы использовать графен, ученые нанесли слой диоксида кремния для базовой структуры, а затем с помощью специального процесса, называемого химическим осаждением из паровой фазы, нанесли сверху слой графена. Затем они добавили слой оксида алюминия, закрепив графен. Благодаря этим двум слоям электрические свойства графена были изолированы от остальной части схемы.

Затем все это было вытравлено, чтобы создать форму лестницы, как показано на рисунке. Это позволило им обнажить только край графенового листа, в вертикальной стенке "ступеньки". Именно это и формирует такую маленькую решетку. Ученые назвали эту конструкцию "боковым транзистором". В дополнение к этому шагу они также добавили слой оксида гафния, чтобы создать пространство между затвором и каналом, и два металлических электрода, один "верхний" и один "нижний", которые формируют исток и сток.

Одним из преимуществ перед нанотрубками, помимо того, что сетка еще меньше, является то, что укладка требует меньшей точности, говорят ученые. Однако их исследования все еще находятся на стадии прототипа, и метод, который позволил бы производить этот тип транзистора в больших масштабах, еще не рассматривался.