Дислоидные транзисторы молибдена могут стать следующим скачком в микроэлектронике
Группа исследователей из Стэнфорда создала транзисторы из дисульфида молибдена с использованием стандартных методов промышленного производства. Будет ли кремний окончательно заменен, как только транзисторы не могут быть уменьшены с помощью кремния?
Маленькая проблема, большое влияние
Это было сказано уже много раз, и сейчас еще будет сказано - кремний достигает своих пределов! Инженеры смогли разработать более мощные продукты каждые 18 месяцев, благодаря тому, что полупроводниковая промышленность способна уменьшить размер транзисторов. Когда транзистор уменьшается в размерах, он позволяет устанавливать больше транзисторов на один чип, что, в свою очередь, позволяет создавать более сложные схемы.
Одним из классических примеров является влияние на процессоры, когда количество транзисторов удваивается. Первый процессор Intel 4004 имел только 2300 транзисторов, где следующий процессор, 8008, имел 3500 транзисторов и почти в два раза превосходил возможности (8 бит на 4 бит, более быструю синхронизацию и большую модель памяти). Таким образом, очевидно, что увеличение количества транзисторов делает ИС лучше, поэтому почему инженеры беспокоятся о будущей разработке кремниевых устройств?
Intel 4004 помог революционизировать планету. Изображение предоставлено Томасом Нгуеном (CC BY-SA 4.0)
Размер последних транзисторов (по состоянию на 2017 г.) составляет 10 нм, что делает транзисторные характеристики порядка десятков атомов. Такие небольшие устройства становятся сложнее производить, поскольку такие размеры элементов зависят от более современного оборудования, которое стоит дорого.
Но проблема с небольшими транзисторами на этом не заканчивается. Когда транзисторные ворота становятся очень маленькими (атомы поперек), квантовые эффекты, которые обычно незначительны, такие как туннелирование электронов, становятся очевидными и могут иметь пагубные последствия.
Возьмите электронное туннелирование, например: если ворота становятся слишком тонкими, а электроны могут туннелироваться, тогда заряд, хранящийся на воротах, может быть потерян, что требует от пользователя замены потерянного заряда. В результате получается транзистор, который потребляет больше тока, что, в свою очередь, приводит к большему рассеиванию тепла. Отдельные транзисторы (даже если они очень негерметичны) имеют почти неизмеримые величины потери тока и повышения температуры, но когда на один кусок кремния размещено несколько миллиардов устройств, эффект складывается и становится серьезной проблемой. Но ток не просто течет из ворот; ток может туннелироваться от источника к дренажу, если они находятся в непосредственной близости, что может препятствовать способности транзисторов контролировать ток.
Введите дисульфид молибдена
Итак, как устройства становятся меньше? Многие инженеры и исследователи разрабатывают множество идей, в том числе использование алмазов, графенов и даже органических соединений.
Недавно команда из Стэнфорда создала 1-нм транзистор, используя дисульфид молибдена, но его трудно изготовить. Эта работа была еще более продвинута исследователями на IEEE International Electron Devices Meeting в декабре, которые создали рабочие сложные схемы с использованием реалистичных технологий производства.
Однако группа (также из Стэнфорда) продемонстрировала, как 10-нм устройства могут быть легко получены с использованием дисульфида молибдена. Но то, что делает устройства, сделанные Стэнфордом впечатляющими, - это то, как они были изготовлены, и их выставленные характеристики, которые могли бы сделать их намного быстрее, чем устройства на основе кремния.
MoS2. Изображение предоставлено Стэнфордским университетом
Прочитайте больше
- Однонамерный транзистор сохраняет закон Мура, соответствующий другому году
- Аппаратные и программные решения проблемы с количеством транзисторов с кремниевыми микросхемами
- Меньшие, самовосстанавливающиеся транзисторы, разработанные для чип-космического корабля
По мнению исследователей из Стэнфорда, когда дисульфидные транзисторы молибдена находятся в масштабе 10 нм, электроны, движущиеся между дренажем и источником, начинают проявлять баллистическую проводимость, а именно, когда электроны останавливают рассеяние при движении по материалу. Это рассеяние является тем, что вызывает удельное сопротивление в материалах - без него материал по существу имеет сопротивление 0.
Поэтому электроны в дисульфидных дисульфидах молибдена могут проходить через незащищенный полупроводниковый материал и, следовательно, могут работать намного быстрее по сравнению с их кремниевыми аналогами. Эрик Поп (EE at Stanford) оценивает, что каждый из пяти электронов подвергается баллистической проводимости в 10-нм устройствах. Однако Эрик Поп считает, что если качество полупроводникового материала улучшится и уменьшится размер транзистора, это число баллистической проводимости будет увеличиваться. Это приведет к созданию высокоскоростных устройств, которые могут проводить больше тока без нагрева, а также кремниевого устройства.
Однако устройства не просто маленькие и быстрые. Они могут быть легко изготовлены с использованием аналогичных методов для кремниевых устройств. Кремниевые чипы настолько успешны из-за их способности производить на массовых весах с использованием многоуровневой техники, при которой каждый слой либо добавляется, либо вычитается из одной пластины кремния (и каждая пластина может производить сотни устройств).
Исследователи Стэнфорда смогли изготовить 10-нм устройства, взяв кремниевую пластину и увеличив дисульфид молибдена сверху. Затем затвор был взят поверх полупроводника, предварительно осадив 20 нм алюминия, а затем доведя его до оксида (где он сжимается до 10 нм).
Резюме
Кремний быстро достигает своих пределов, но потребительский спрос на электроэнергию постоянно растет. Незадолго до того, как новый материал войдет в систему и обеспечит столь необходимую вычислительную мощность. Дислосульфидные устройства из молибдена демонстрируют большие перспективы в области устройств нанометровой шкалы, но остаются ли они полупроводниками будущего, остается неясным.