Moorův zákon by mohl přežít déle. Byl demonstrován tranzistor s 1nm hradlem

0

Pokud delší dobu sledujete hardwarové
zpravodajství, asi jste si všimli, že se patrně pomalu blížíme
k jakémusi tušenému konci dnešní podoby evoluce výrobních
procesů, charakterizované stálým zmenšováním „velikosti“
z 65, 45, 32/28, 22/20 nm až na dnešních 14 nm.
V roadmapách se už nějakou dobu jako nejzazší meta skloňuje
číslo 5 nm, aniž by se horizont posouval dál jako dříve.
Výrobci začali opatrně hovořit o „3nm“ procesech, jenže
při pohledu na 16/14nm technologie to dost možná bude spíš tím,
že se poněkud „roztáhne značení“ a tento proces bude
reálně tím, co měl být původně 5nm či ještě větší
proces.

Hranice 5 nm by měla být pro
integrované obvody poměrně fundamentální, jelikož někde zde se
stává kvantové tunelování tak významným jevem, že zavřené
hradlo tranzistoru už nedokáže zastavit tok proudu. Elektronům
již na takto krátkou vzdálenost nejde zabránit v pronikání
kanálem, který je hradlem zavírán a otvírán. Jinými slovy
nelze tranzistor přepnout do efektivně zavřeného stavu. Ovšem to
platí pro tradiční materiály a vědcům se zřejmě nyní
podařilo tuto bariéru posunout o poznání dál tím, že
kanál vytvořili z jiných látek. Kalifornský výzkumný tým
oznámil, že se mu experimentálně podařilo vyrobit tranzistor,
který má hradlo úzké jen 1 nm.

Schéma tranzistoru: hradlo tvoří 1 nm silná nanotrubička, kanál disulfid molybdenu, izolován je oxidem zirkoničitým
Schéma tranzistoru: hradlo tvoří 1 nm silná nanotrubička, kanál disulfid molybdenu, izolován je oxidem zirkoničitým

Klíčem je použití materiálu,
v kterém mají elektrony nižší mobilitu než v křemíku.
Samotné hradlo, které tranzistor přepíná, bylo realizované
uhlíkovou nanotrubičkou s průměrem onoho 1 nm,
izolovanou vrstvou oxidu zirkoničitého (ZrO2). Nicméně
klíčové pro to, aby s tímto 1nm hradlem tranzistor fungoval,
je onen problém, jak zamezit pohybu elektronů v kanálu mezi
elektrodami (source a drain). Hlavní inovací by v tomto
výzkumu tudíž měl být materiál, z něhož je vytvořen
kanál. Je tvořen disulfidem molybdenu (MoS2), který se
chová jako polovodič podobný křemíku. Ovšem pohyblivost
elektronů je v něm značně nižší, což je přesně
potřeba.

Tím pádem je zredukována i jejich
schopnost protunelovat se zavřeným kanálem a je možné
tranzistor řídit menším hradlem, než by bylo nutné u křemíku.
Tedy v tomto případě onou 1nm nanotrubičkou. Ta údajně při
pokusech potvrdila, že dokáže vzniklý tranzistor úspěšně
spínat. Laboratorně se tím pádem podařilo zkonstruovat „1nm
tranzistor“, pokud tedy tuto metriku odvozujeme od hradla.

 

Tento výzkum byl publikován
v prestižním časopise Science. Vedoucím byl Ali Javey
z Lawrence Berkeley National Laboratory, která spadá pod
americké ministerstvo energetiky. Podíleli se na něm ale i další
vědci z Kalifornské univerzity v Berkeley, Stanfordské
a Dallaské univerzity.

Dva z autorů: Ali Javey a Sujay Desai
Dva z autorů: Ali Javey a Sujay Desai

 

Do praxe je dlouhá cesta

Zlaboratoře k využití je
samozřejmě trnitá (a často slepá) cesta a v tomto
případě jde jen o demonstraci. Pro konstrukci čipů by bylo
nutné takovýchto tranzistorů vyrábět miliardy se stoprocentní
úspěšností, s ekonomicky dostupnými postupy a zejména
s velkým nahuštěním. To může být problém, jelikož
v případě kontrukce jednoho tranzistoru s ním není
třeba počítat. Jak můžete vidět na snímku z elektronového
mikroskopu, překřížení nanotrubičky s kanálem, což je
ona spínací část tranzistoru, je skutečně malé, ale okolo je
spousta jalového místa. Na skutečném čipu by tento luxus nebyl
a nanotrubičky byste museli vést precizně po jedné a často
blízko u sebe.

Snímek z elektronového mikroskopu. Horizontální linie představuje kanál, svislé linie jsou uhlíkové nanotrubičky
Snímek z elektronového mikroskopu. Horizontální linie představuje kanál, svislé linie jsou uhlíkové nanotrubičky

 

Je také otázka, zda snížená
mobilita elektronů v kanálu tranzistoru nebude větší
nevýhodou, než možnost zminiaturizovat hradlo na tloušťku 1 nm.
Jinými slovy, tento konkrétní postup a materiály nemusí
v praxi a skutečných čipech uspět. Každopádně ale
ukazují cestu, jakou by se za několik let mohly výrobní postupy
čipů dát, až se vyčerpají možnosti křemíkové litografie.
Kdoví, možná ještě budeme počítat „velikost“ výrobní
technologie v pikometrech, jako jsme ji v devadesátých
a starších letech měli v mikrometrech.

Zdroj: Berkeley
National Laboratory

Ohodnoťte tento článek!