‘s Werelds kleinste transistorpoort redt Wet van Moore

De Wet van Moore stelt dat het aantal transistors in een schakeling elke twee jaar verdubbelt. Huidige transistors hebben een poort van twintig nanometer groot en hun technologie laat geen poorten toe kleiner dan vijf nanometer. Even zag het er dan ook naar uit dat de Wet van Moore geen lang leven meer was beschoren. Gelukkig hebben onderzoekers van Berkeley Lab een nieuwe technologie ontdekt die poorten van slechts een nanometer breed toelaat.

De bepalende factor voor de grootte van een transistor is zijn poort. Met een poort van slechts een nanometer kunnen de wetenschappers de elektronische component dan ook produceren in een nooit geziene grootte. “We hebben de kleinste transistor ter wereld gemaakt,” zegt Ali Javey, het hoof van het onderzoeksteam. “We hebben aangetoond dat met de juiste keuze van materiaal er nog veel ruimte is om onze elektronica kleiner te maken.”

Tunneling

Transistoren bestaan uit drie elementen, namelijk een bron, afvoer en poort. Naar gelang de spanning die op de poort wordt aangebracht, zal de poort open of gesloten zijn. Wanneer de poort openstaat kan er stroom vloeien van de bron naar de afvoer van de transistor.

Bij klassieke transistoren zijn de bron en afvoer gemaakt van silicium dat gebombardeerd is met ionen. De elektronen die zich door het materiaal begeven zijn licht en ervaren weinig weerstand. Deze eigenschap is goed voor transistoren met een poort van meer dan vijf nanometer. Wanneer deze grootte verder afneemt, zal er echter ‘tunneling’ optreden. De poort zal hierdoor niet langer in staat zijn om de elektronen tegen te houden. Stroom zal met andere worden continu doorheen de transistor vloeien.

Molybdeen

Om deze reden hebben de onderzoekers gebruik gemaakt van een ander materiaal dan silicium om hun transistor op te bouwen, namelijk molybdeendisulfide (MoS₂). Elektronen die door MoS₂ vloeien zijn zwaarder, waardoor een poort van een nanometer ze wel onder controle kan houden.

Bovendien kan MoS₂ gemaakt worden in atomisch dunne vellen van slechts 0,65 nanometer dik en heeft het een lagere permittiviteit, een fysische grootheid die beschrijft hoe een elektrisch veld een medium beïnvloedt en erdoor beïnvloed wordt. Beide eigenschappen helpen de elektronenstroom te controleren wanneer de poort slechts een nanometer groot is.

Grafeen

Ook voor de poort diende ander materiaal te worden gebruikt dan bij klassieke transistoren. Conventionele lithografietechnieken werken immers niet goed bij een schaal van slechts een nanometer. De wetenschappers richtten zich daarom op grafeen. Deze holle nanobuisjes hebben een diameter van een nanometer en zijn hierdoor ideaal om een transistorpoort van een nanometer groot te maken.

Door het gebruiken van de nieuwe materialen slaagden de wetenschappers erin een werkende transistor te maken met een poort van slechts een nanometer groot. “Dit werk demonstreert de kleinste transistor ooit,” weet Javey. “Het is echter nog een proof of concept. We hebben deze transistors nog niet in een chip geplaatst en hebben geen fabricatieproces ontwikkeld dat parasitaire weerstanden in de component kunnen voorkomen. Toch is dit werk belangrijk om te tonen dat we niet langer gelimiteerd zijn aan een poort van vijf nanometer in transistors. De Wet van Moore kan nog even langer blijven doorgaan.”