Sub-5nm-transistors op wafers van vier inch

Elke processor bestaat uit transistors: minuscule elektrische schakelaars. Chips zijn lange tijd verbeterd door die schakelaars steeds kleiner te maken. Een team onder leiding van Carnegie Mellon University heeft nu transistors gebouwd uit één atoomlaag molybdeendisulfide (MoS₂), met kanalen korter dan 5 nanometer. De onderzoekers brachten het proces bovendien aan op een wafer van vier inch (Nature Communications). Het peerreviewde resultaat koppelt vergaande miniaturisering aan de methode waarmee chipfabrikanten patronen aanbrengen.

Aan het onderzoek werkten ook de University of Florida, MIT, Texas A&M, de University of Southern California en het Spaanse Universidad Politécnica de Madrid mee (Semiconductor Engineering).

De poort houdt de controle

In een transistor loopt stroom van de ene aansluiting, de source, naar de andere, de drain, door een strook materiaal die het kanaal heet. Een derde elektrode, de gate, regelt die stroom door een energiebarrière hoger of lager te maken. Zie het als een heuvel waar elektronen overheen moeten: bij een hogere heuvel staat de schakelaar uit, bij een lagere heuvel loopt er stroom.

Als het kanaal klein genoeg wordt, liggen source en drain zo dicht bij elkaar dat hun eigen elektrische velden de heuvel beginnen af te vlakken. De gate verliest dan zijn exclusieve controle en er lekt stroom wanneer de schakelaar uit zou moeten staan. De kraan sluit dan nooit helemaal.

De aanpak van het team draait om de geringe dikte. In een kanaal dat slechts één atoomlaag dik is, werkt het elektrische veld van de gate tegelijk op het hele kanaal. Geen enkel deel van het materiaal valt daardoor buiten zijn bereik (Nature Communications).

Hoe scherp schakelt de transistor?

Ingenieurs beoordelen de scherpte van een transistor met een maatstaf die de subthreshold swing heet. Die meet hoeveel extra gatespanning nodig is om de stroom vertienvoudigen terwijl het apparaat inschakelt. Een lager getal betekent een scherpere omschakeling. Zo'n transistor kan in principe op een lagere spanning werken (Nature Communications). Dit onderzoek toont overigens geen schakeling die op lage spanning werkt.

Voor de geteste apparaten melden de auteurs een subthreshold swing van 88 millivolt per decade en een inschakelstroom die meer dan een miljoen keer zo groot is als de uitschakelstroom (Nature Communications). De samenvatting vermeldt niet of 88 de beste, gemiddelde of mediane waarde is. De verhouding tussen in- en uitschakelstroom zegt meer. Een apparaat van deze omvang dat alleen stroom doorlaat, zou immers slechts een draad zijn. Deze transistors schakelen nog steeds.

De titel van het onderzoek spreekt over prestaties die „voorbij de siliciumlimiet” liggen. Dat betekent niet dat de apparaten de thermische ondergrens van ongeveer 60 millivolt per decade doorbreken die conventionele transistors bij kamertemperatuur begrenst (review). Met 88 zitten ze daar nog boven. De vergelijking met silicium is de formulering van de auteurs zelf.

Van recordapparaten naar een wafer

Eerdere experimenten hadden MoS₂-transistors al tot opmerkelijk kleine afmetingen gebracht, met onder meer kanalen korter dan 10 nm (Nano Letters) en een gate-elektrode van ongeveer één nanometer lang (Science). Het nieuwe onderzoek voegt daar een productiemethode aan toe die op grootschaliger fabricage is gericht. Het team gebruikte fotolithografie, waarbij circuitpatronen met licht door een masker op een lichtgevoelige laag worden aangebracht. Dat is in de basis dezelfde techniek waarop chipfabrieken steunen.

De auteurs noemen het proces compatibel met CMOS-fabricage, de productiestroom achter vrijwel alle digitale chips. Volgens hun beschrijving zijn de stappen zo ontworpen dat ze naast conventionele siliciumproductie kunnen worden uitgevoerd. De onderzoekers brachten het proces aan op een wafer met een diameter van ongeveer 100 mm (Nature Communications). Semiconductor Engineering noemt dezelfde afmeting in zijn samenvatting van het onderzoek (Semiconductor Engineering).

Dit is een demonstratie van fabricage op waferformaat. Voor productierijpheid zijn gegevens nodig over opbrengst en variatie. Die ontbreken in de gepubliceerde samenvatting. Ook blijkt uit de beschikbare informatie niet dat de transistors in schakelingen zijn verbonden. Een afzonderlijke studie op grotere wafers van 300 mm, met langere apparaten van MoS₂ en WS₂, laat zien wat de volgende stap inhoudt. Daar lag de opbrengst rond 95–99%, maar de onderzoekers vonden nog altijd een hoge contactweerstand: elektrisch verlies op de plek waar metalen bedrading de atoomdunne laag raakt. Ook verschilden de resultaten van wafer tot wafer (300-mm study).

Dit peerreviewde onderzoek laat zien dat MoS₂-kanalen onder 5 nanometer en lithografie op waferformaat in één proces kunnen samengaan (Nature Communications). De opbrengst en de variatie tussen afzonderlijke apparaten bepalen of dat proces uiteindelijk een productieplatform kan worden.