Sub-5nm-transistorer på fire-tommers wafere

Alle processorer består af transistorer, bittesmå elektriske kontakter, og i årtier er chipudviklingen drevet af at gøre dem mindre. Nu har et hold under ledelse af Carnegie Mellon University fremstillet transistorer af ét atomlag molybdændisulfid (MoS₂) med kanaler på under 5 nanometer. Forskerne har samtidig gennemført processen på en firetommerwafer (Nature Communications). Det fagfællebedømte resultat kombinerer ekstrem miniaturisering med den mønsterteknik, som chipfabrikker bruger.

Arbejdet omfattede også University of Florida, MIT, Texas A&M, University of Southern California og Spaniens Universidad Politécnica de Madrid (Semiconductor Engineering).

Porten skal bevare kontrollen

Strømmen i en transistor løber fra den ene terminal, source, til den anden, drain, gennem en materialestrimmel, der kaldes kanalen. En tredje elektrode, gate, styrer strømmen ved at hæve eller sænke en energibarriere. Forestil dig en bakke, som elektronerne skal over: Når bakken hæves, er kontakten slukket. Når den sænkes, løber strømmen.

Hvis kanalen bliver kort nok, sidder source og drain så tæt på hinanden, at deres egne elektriske felter begynder at flade bakken ud. Så mister gate-elektroden sin fulde kontrol, og strømmen siver igennem, selv om kontakten burde være slukket. Det svarer til en vandhane, der aldrig lukker helt.

Holdets metode bygger på materialets tyndhed. I en kanal, der kun er ét atomlag tyk, påvirker gate-elektrodens elektriske felt hele kanalen på én gang. Ingen del af materialet ligger uden for feltets rækkevidde (Nature Communications).

Hvor skarp er kontakten?

Ingeniører vurderer en transistors skarphed med et mål, der kaldes subthreshold swing. Det viser, hvor meget ekstra gatespænding der skal til for at ti-doble strømmen, når enheden tændes. Et lavere tal betyder en skarpere kontakt, som i princippet kan fungere ved lavere spænding (Nature Communications). Dette studie demonstrerede ikke et lavspændingskredsløb.

For de testede enheder angiver forfatterne en subthreshold swing på 88 millivolt pr. dekade og en tændt strøm, der er mere end en million gange større end den slukkede strøm (Nature Communications). Resuméet oplyser ikke, om 88 er den bedste, typiske eller mediane værdi. Det centrale er forholdet mellem tændt og slukket. En så lille enhed, der kun ledte strøm, ville blot være en ledning. Disse enheder fungerer stadig som kontakter.

Artiklens titel beskriver ydeevnen som »bedre end siliciumgrænsen«. Det betyder ikke, at enhederne bryder den termiske bund på omkring 60 millivolt pr. dekade, som begrænser konventionelle transistorer ved stuetemperatur (review). Med 88 ligger de over grænsen. Sammenligningen med silicium er forfatternes egen indramning.

Fra rekordstore enheder til en wafer

Tidligere forsøg havde allerede presset MoS₂-transistorer ned i bemærkelsesværdige dimensioner, blandt andet med kanaler på under 10 nanometer (Nano Letters) og en gate-elektrode på omkring én nanometer (Science). Det nye arbejde føjer en produktionslignende metode til miniaturiseringen. Holdet brugte fotolitografi, hvor kredsløbsmønstre tegnes ved at sende lys gennem en stencil-lignende maske ned på en lysfølsom belægning. Det er den samme grundlæggende teknik, som chipfabrikker benytter.

Forfatterne beskriver processen som kompatibel med CMOS-fremstilling, den produktionsmetode, der ligger bag næsten alle digitale chips. Ifølge deres beskrivelse er trinnene udformet, så de kan kombineres med konventionel siliciumproduktion. Forskerne gennemførte processen på en wafer, der var omkring 100 mm i diameter (Nature Communications). Det samme mål fremgår af Semiconductor Engineerings opsummering af artiklen (Semiconductor Engineering).

Der er tale om en demonstration af fremstilling på wafer-skala. Før processen kan være klar til produktion, kræves der data for udbytte og variation, og det offentliggjorte resumé indeholder ikke sådanne oplysninger. Det fremgår heller ikke af det tilgængelige materiale, om transistorerne blev forbundet til kredsløb. Et separat studie på større 300-mm-wafere med længere MoS₂- og WS₂-enheder viser, hvad næste trin indebærer. Her nåede forskerne et udbytte på omkring 95-99 procent, men fandt stadig høj kontaktmodstand, altså elektrisk tab dér, hvor metalforbindelsen møder det atomtynde lag, samt variation fra wafer til wafer (300-mm study).

Det fagfællebedømte arbejde viser, at MoS₂-kanaler under 5 nanometer og litografi på wafer-skala kan indgå i samme proces (Nature Communications). Om processen kan udvikle sig til en produktionsplatform, vil i sidste ende afhænge af udbyttet og variationen mellem de enkelte enheder.