Extremt tunna transistorer för framtidens energieffektiva chip

Dagens datorchip innehåller miljarder kiseltransistorer – små elektriska strömbrytare som styr hur information bearbetas, lagras och flyttas. I flera decennier har utvecklingen drivits av att transistorerna kunnat göras allt mindre, vilket har gjort elektroniken snabbare, kraftfullare och mer energieffektiv. Men den utvecklingen blir allt svårare att upprätthålla då de mest kritiska måtten i dagens avancerade transistorer redan är nere på bara några få nanometer. På den skalan börjar kisel, materialet som dominerar modern elektronik, närma sig gränsen för vad dess materialegenskaper klarar av.

Bland de mest lovande alternativen till kisel finns atomtunna material som kallas tvådimensionella halvledare, eller 2D halvledare. De består av lager som bara är några få atomer tjocka och har egenskaper som gör det möjligt att styra elektrisk ström mycket effektivt. Det gör dem särskilt intressanta för framtidens energieffektiva elektronik. Men en avgörande fråga har länge varit obesvarad: fungerar de fortfarande bra när transistorkanalerna görs så smala som framtidens chip kräver?

I en ny studie i Nature Nanotechnology visar forskarna att svaret kan vara ja. De har tillverkat 2D transistorer med kanaler så smala som 25 nanometer – omkring 3 000 gånger smalare än ett hårstrå. Trots kanalernas minimala storlek fungerade 2D transistorerna lika bra som betydligt bredare 2D transistorer. Tillverkningen och de elektriska mätningarna genomfördes vid Stanford University i USA, med efterföljande dataanalys vid Chalmers tekniska högskola.

– Det här är några av de smalaste 2D transistorer som hittills har visats fungera med så god prestanda, säger Anton Persson, en av studiens huvudförfattare som tidigare var postdoktor vid Stanford och i dag är biträdande universitetslektor vid Chalmers tekniska högskola.
– Det som är särskilt uppmuntrande, och som faktiskt överraskade oss, är att transistorerna fortsatte att fungera väl även när kanalerna gjordes extremt smala. Det har länge varit en obesvarad fråga om 2D transistorer kan göras så små som krävs i framtida massproduktion.

Ny tillverkningsmetod möjliggjorde extremt smala kanaler

Även om 2D halvledare länge har setts som lovande alternativ för framtidens elektronik, har forskare haft svårt att göra transistorkanalerna smalare utan att samtidigt försämra transistorernas prestanda. När kanalerna görs smalare får kanterna allt större betydelse, vilket väckt oro för att defekter vid de etsade kanterna skulle kunna begränsa hur väl transistorerna fungerar. Den nya studien visar att detta problem kan vara betydligt mindre begränsande än man tidigare befarat.

Forskarna använde tre olika 2D halvledare för att tillverka transistorer med extremt smala kanaler. I samtliga material kunde transistorerna fortfarande slås på och av med prestanda i nivå med betydligt bredare 2D transistorer.

– Transistorerna av volframdisulfid var särskilt anmärkningsvärda. Tack vare högre materialkvalitet och förbättrade kontakter var deras strömtäthet mer än hundra gånger högre än i tidigare rapporterade 2D transistorer av samma typ, säger Anton Persson.

För att lyckas behövde forskarna ändra transistorernas utformning och använda avancerade metoder för nanotillverkning. Forskarna utvecklade en så kallad ”dog-bone”-struktur, där transistorkanalen görs extremt smal medan bredare områden under metallkontakterna hjälper till att hålla det atomtunna materialet på plats.

– Vår förbättrade metod för nanotillverkning var avgörande för att vi skulle kunna nå de här resultaten, säger Tara Peña, postdoktor i elektroteknik vid Stanford och en av studiens huvudförfattare.

– Vi hoppas att andra forskare kommer att ta efter och fortsätta utveckla 2D komponenter i de storlekar som krävs för framtidens chip.

Ett steg mot mer energieffektiva chip

Resultaten stärker bilden av att atomtunna 2D halvledare kan få en viktig roll i framtidens elektronik.

– Atomtunna 2D halvledare har många spännande materialegenskaper som gör att vi kan utforska vad som kan bli möjligt bortom dagens kiselbaserade elektronik, säger Anton Persson.

– På sikt kan teknik baserad på de här materialen bidra till både kraftfullare och mer energieffektiv elektronik.

Det återstår dock flera utmaningar innan tekniken kan användas i kommersiella chip.

– Våra resultat betyder inte att atomtunna 2D halvledare är redo att ersätta kisel i morgon, säger Eric Pop, professor vid Stanford.

– Men de visar att ett av de stora frågetecknen kan vara mindre begränsande än man tidigare trott.

Mer om forskningen

Studien "Scaling nanoribbon transistors with monolayer transition metal dichalcogenides" har publicerats i Nature Nanotechnology. I samma nummer har tidskriften också publicerat en tillhörande News & Views-artikel med titeln "2D transistor goes narrower".

Författare till studien är Tara Peña, Anton E. O. Persson, Andrey Krayev, Áshildur Friðriksdóttir, Haotian Su, Yuan-Mau Lee, Young Suh Song, Kathryn Neilson, Zhepeng Zhang, Anh Tuan Hoang, Jerry A. Yang, Lauren Hoang, Shan X. Wang, Andrew J. Mannix, Paul C. McIntyre och Eric Pop. Forskarna är verksamma vid Stanford University och HORIBA i USA samt Chalmers tekniska högskola i Sverige.

Mer fakta om studien:

Forskarna tillverkade transistorer med extremt smala kanaler av tre olika atomtunna 2D halvledare: molybdendisulfid (MoS2), volframdisulfid (WS2) och volframdiselenid (WSe2).

För att förhindra att de känsliga atomtunna materialen slets sönder eller lossnade under tillverkningen utvecklade forskarna en så kallad ”dog-bone”-struktur. I den nya designen görs transistorkanalen extremt smal, medan bredare områden under de elektriska kontakterna hjälper till att hålla materialet på plats.

Forskarna använde också en avancerad flerstegsteknik för mönstring, där materialet etsades i två steg från olika håll. Det gjorde det möjligt att skapa kanaler så smala som 25 nanometer.

Finansiering

Forskningen finansierades av Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse, U.S. Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), Semiconductor Research Corporation (SRC), U.S. National Science Foundation (NSF), Intel Corporation, Samsung Electronics och TSMC genom SystemX Alliance. Det experimentella arbetet genomfördes huvudsakligen vid nano@stanford.