Wetenschappers ontwikkelen transistor met gate van 1 nanometer

Wetenschappers van UC Berkeley hebben de naar eigen zeggen kleinste transistor tot nu toe ontwikkeld. Ze wisten een transistor met een gatelengte van 1 nanometer te maken, door gebruik te maken van materiaal dat ook wordt gebruikt voor smeermiddelen.

De minuscule transistor van de onderzoekers bevat een gate van molybdeendisulfide, of MoS₂, een anorganische verbinding van zwavel en molybdeen, dat vooral bekend is als onderdeel van smeermiddelen. Het verbetert de wrijvingseigenschappen van smeervet. In de halfgeleiderindustrie maakt het materiaal naam als alternatief voor silicium.

Voordeel van MoS₂ is dat het een tweedimensionale halfgeleider is die in atoomdunne laagjes met een dikte van ongeveer 0,65 nanometer zijn elektrische eigenschappen behoudt. Bovendien is de stroom elektronen goed te controleren en leiden de dunne MoS₂-lagen tot lage lekstromen. Die lekstromen zijn een obstakel bij silicium. Bij transistorgates korter dan 5nm nemen de lekstromen zover toe, dat het materiaal niet meer efficiënt in te zetten is op deze schaal. Bij andere siliciumalternatieven, zoals grafeen, zijn de elektronen minder beheersbaar en die zijn vaak ook lastig op grote schaal te produceren.

De onderzoekers van Berkeley Labs Materials Science Division combineerden hun MoS₂-gate met een gate-elektrode op basis van een koolstofnanobuis. Deze combinatie vertoont volgens de makers uitstekende schakelcapaciteiten. De gatelengte bedroeg in de uitstand ongeveer 4nm en in de aanmodus een enkele nanometer.

Het team van Berkeley benadrukt dat het een proof-of-concept is, die nog lang niet rijp is om in de praktijk toegepast te worden. "Dit werk is belangrijk om te laten zien dat we niet langer beperkt zijn door de gate van 5 nanometer voor onze transistors. Moore's Law kan nog wat langer voortduren door het op de juiste manier ontwikkelen van halfgeleidermateriaal en de architectuur van onderdelen", zegt Ali Javey van Berkeley Labs. Hij en zijn collega's publiceren het onderzoek in Science onder de titel 'MoS₂ transistors with 1-nanometer gate lengths'.

UC Berkeley nanotubes molybdenum disulfide transistor

Reacties (28)

venkinto 8 oktober 2016 00:00

Het artikel is beschikbaar op de website van Berkeley

[Reactie gewijzigd door venkinto op 23 juli 2024 14:15]

increddibelly 7 oktober 2016 14:16

Fascinerend. Ik ben wel benieuwd naar testopstellingen voor zo'n onderzoek. *todo: google

Uit het artikel

Excellent switching characteristics and an on-off state current ratio of ∼10⁶ were observed.
These ultrashort devices exhibit excellent switching characteristics with near ideal subthreshold swing of ~65 millivolts per decade and an On/Off current ratio of ~10⁶

Ik snap dit niet goed. Is dit een 100.000 Hz schakelaar? Dat is sub-GHz - dus qua snelheid eigenlijk niet bijster spectaculair? Leuk dat het natuurkundig near-ideal is maar dan zitten we dan niet op een dood paard te wedden qua snelheid?
En ik wist niet dat er nog een andere betekenis voor decade was dan 10 jaar. 65mV per 10 jaar? I think not.

Discuss

[Reactie gewijzigd door increddibelly op 23 juli 2024 14:15]

Aaargh! @increddibelly • 7 oktober 2016 14:22

Ze hebben het over current ratio, dus er loopt 100.000 keer zo veel stroom als ie 'aan' staat dan wanneer ie 'uit' staat. Dit gaat dus over de lekstroom v/d transistor en niet over de schakelfrequentie.

Wat betreft 'decade', ik denk dat ze deze definitie bedoelen.

[Reactie gewijzigd door Aaargh! op 23 juli 2024 14:15]

robvanwijk

Wetenschap

@Aaargh! • 7 oktober 2016 21:43

dus er loopt 100.000 keer zo veel stroom

Kleine correctie:
10¹ = 10
10⁶ = 1.000.000
Denk dat je het ezelsbruggetje verkeerd onthouden hebt: "tot de x-de" betekent "x nullen", niet "x cijfers".

ANW @increddibelly • 7 oktober 2016 15:42

Decade: uitgangsstroom 10 x zo groot of zo klein
subthreshold swing: iedere 65 mV meer of minder op de gate 1 decade

Dus voor de aan/uit verhouding van 1 miljoen (=6 decades) is een verschil op de gate nodig van 6 x 65mV = 0.39 V

Verwijderd @increddibelly • 7 oktober 2016 14:21

Bedoelen ze daar niet de ratio van stroomsterkte tussen aan en uit stand mee? Zeg maar het contrast van de schakelaar?

haarbal @increddibelly • 7 oktober 2016 14:21

denk dat dat gaat over het verschil in stroom tussen de aan en uit stand, niet de schakeltijd.

klonic @increddibelly • 7 oktober 2016 14:43

"current ratio" betekend stroom verhouding. Dus I_aan=I_uit1000000.

Kliko @increddibelly • 7 oktober 2016 14:21

10⁶ = 1.000.000 toch?

Nog steeds niet erg hoog, dat zeker.

Ik heb geen idee of ze snellere transistoren nodig hebben voor bijvoorbeeld een processor van nu te maken, lijkt me van wel?
Als tegenhanger kan je misschien wel meer cores gebruiken en dan nog energiezuiniger zijn. Dat kan misschien een lagere klokfrequentie compenseren.

Ik ben wel benieuwd wat dit in de toekomst gaat brengen!

MadMarky 7 oktober 2016 14:24

Waar een busje WD40 al niet goed voor is

Accretion @MadMarky • 8 oktober 2016 09:17

Zoals vaders altijd zei: "Met pur, kit, ductape en WD-40 kan men alles maken".

Blijkbaar dus ook transistoren van enkele nanometers

matroosoft 7 oktober 2016 14:42

Kun je de ontwikkelingen in traditionele transistors vergelijken met innovaties op het gebied van verbrandingsmotoren? Aangezien ze in de toekomst uitgefaseerd zouden kunnen worden, net zoals transistors later misschien uitgefaseerd worden voor kwantumtechnologie?

ANW 7 oktober 2016 15:45

Hoe zit het met de hoeveelheden molybdeen die nodig zijn en de verkrijgbaarheid ervan? Iemand enig idee?

Verwijderd 8 oktober 2016 11:18

Hoe zeldzaam is Molybdeen?

RDNZN 7 oktober 2016 14:08

Gaaf! In hoeverre zou dit de prestaties verbeteren en het energieverbuik verminderen?

Toettoetdaan @RDNZN • 7 oktober 2016 14:27

Dat is nog niet te zeggen, het lijkt er nu vooral op dat dit een stap tussen grafeen en silicium mogelijk maakt. Molybdeendisulfide is goed te vervaardigen en kan het verklein process, wat we nu op silicium hebben, doorzetten tot we over kunnen op de goede geleiden eigenschappen van grafeen.

Voor de rest is nog moeilijk te zeggen wat het materiaal kan, het lijkt er op dat het iets meer energie kost om de transistors te schakelen, maar dat het wel minder lekkage heeft. Ook op hoge temperaturen blijft het stabiel dus het bied in ieder geval de mogelijkheid voor de eerste stap na silicium. Hoewel dat nog wel een jaar of 10 gaat duren.

Artimunor @Toettoetdaan • 7 oktober 2016 16:11

Waarom 10 jaar?
Volgend jaar 10nm, dan pak m beet 2019 7nm?
2021 5nm en dan moeten we 2023 dus kleiner dan 5nm en hebben dit spul nodig?
Als het tick-tock process na Kaby Lake weer gewoon normaal doorgaat moet dit over 7 jaar al op de markt komen.

WillySis @Artimunor • 7 oktober 2016 16:59

Volgens hetzelfde onderzoek is heeft silicium bij 5 nm al te veel lekstroom. De 7 nm is dus waarschijnlijk de laatste generatie die van silicium gemaakt kan worden. Grafeen is nog steeds lastig te maken, maar daar kan je in theorie nog veel kleinere transistors van maken. De geleiding is immers nog beter en de moleculen zijn nog een stuk kleiner.
De MoS₂ lijkt dus ideaal om het gat op te vangen, zodat de verkleining van de transistors gewoon verder kan. Alleen zal de schakelsnelheid nog flink opgeschroefd moeten worden, want 1 MHz is niet snel genoeg voor een praktische toepassing.