Transistorer under 5 nm når fyratumsskivor

Varje processor består av transistorer, små elektriska brytare, och under lång tid har utvecklingen drivits av att göra dem mindre. Nu har en forskargrupp ledd av Carnegie Mellon University byggt transistorer av ett enda atomlager molybdendisulfid (MoS₂), med kanaler kortare än 5 nanometer, och genomfört processen på en fyratumsskiva (Nature Communications). Det sakkunniggranskade resultatet kombinerar extrem miniatyrisering med den mönstringsteknik som används i chiptillverkning.

I arbetet deltog även University of Florida, MIT, Texas A&M, University of Southern California och Spaniens Universidad Politécnica de Madrid (Semiconductor Engineering).

Grinden behåller kontrollen

Strömmen i en transistor går från en anslutning, source, till en annan, drain, genom en materialremsa som kallas kanal. En tredje elektrod, grinden, styr strömmen genom att höja eller sänka en energibarriär. Den kan liknas vid en backe som elektronerna måste ta sig över: höjs backen stängs brytaren, sänks den börjar strömmen gå.

När kanalen krymper tillräckligt hamnar source och drain så nära varandra att deras egna elektriska fält börjar jämna ut backen. Grinden förlorar då en del av kontrollen, och ström läcker igenom när brytaren egentligen ska vara avstängd, ungefär som en kran som aldrig stängs helt.

Forskargruppens metod bygger på materialets tunnhet. I en kanal som bara är ett atomlager tjock verkar grindens elektriska fält på hela kanalen samtidigt. Ingen del av materialet hamnar utanför dess räckvidd (Nature Communications).

Hur skarp är brytaren?

Ingenjörer mäter en brytares skärpa med ett mått som kallas subtröskelsving. Det anger hur mycket grindspänningen måste öka för att strömmen ska bli tio gånger starkare när enheten slås på. Ett lägre värde innebär en skarpare brytare, som i princip kan arbeta vid lägre spänning (Nature Communications). Studien visar däremot inte någon krets med låg driftspänning.

För de testade enheterna anger författarna en subtröskelsving på 88 millivolt per dekad. Strömmen i påslaget läge var mer än en miljon gånger högre än i avstängt läge (Nature Communications). Sammanfattningen anger inte om värdet 88 är det bästa, typiska eller mittersta resultatet. Det viktiga är förhållandet mellan på- och avläge. En så liten enhet som bara ledde ström skulle i praktiken vara en ledning. Dessa transistorer fungerar fortfarande som brytare.

Artikelns titel beskriver prestandan som ”bortom kislets gräns”. Det betyder inte att enheterna underskrider den termiska gränsen på omkring 60 millivolt per dekad, som begränsar konventionella transistorer vid rumstemperatur (review). Med 88 millivolt ligger de över gränsen. Jämförelsen med kisel är författarnas egen inramning.

Från rekordsmå enheter till en hel skiva

Tidigare experiment hade redan pressat MoS₂-transistorer till anmärkningsvärda dimensioner, bland annat kanaler kortare än 10 nanometer (Nano Letters) och en grindelektrod på omkring en nanometer (Science). Det nya arbetet tillför en tillverkningsmetod avsedd för större skala. Forskarna använde fotolitografi, där kretsmönster ritas genom att ljus belyser en ljuskänslig beläggning genom en mask. Det är samma grundteknik som används i chipfabriker.

Författarna beskriver processen som förenlig med CMOS-tillverkning, den produktionsprocess som ligger bakom nästan alla digitala chip. Enligt deras beskrivning är stegen utformade för att kunna kombineras med konventionell kiselbearbetning. Processen genomfördes på en skiva som var omkring 100 millimeter i diameter (Nature Communications), en uppgift som Semiconductor Engineering också lyfter i sin sammanfattning av studien (Semiconductor Engineering).

Det här är en demonstration av tillverkning på skivenivå. För att bedöma om metoden är redo för produktion krävs uppgifter om utbyte och variation, men den publicerade sammanfattningen innehåller inte sådana data. Det framgår inte heller av det tillgängliga materialet om transistorerna kopplades samman till fungerande kretsar. En separat studie på större 300-millimetersskivor, med längre enheter av MoS₂ och WS₂, visar vad nästa steg innebär. Där uppnåddes ett utbyte på ungefär 95–99 procent, men forskarna fann fortfarande hög kontaktresistans, alltså elektriska förluster där metallförbindelser möter det atomtunna lagret, samt variationer mellan olika skivor (300-mm study).

Det sakkunniggranskade arbetet visar att MoS₂-kanaler kortare än 5 nanometer kan tillverkas med litografi på skivenivå i samma process (Nature Communications). Om processen kan bli en plattform för serietillverkning avgörs av utbytet och variationerna mellan enskilda transistorer.