In een vlug tempo holt onze maatschappij richting complete en globale digitale automatisering. Een stormloop die op gang kwam als het gevolg van enkele kort opeenvolgende wetenschappelijke doorbraken in het eerste deel van de twintigste eeuw, alsmede door de komst van de transistor.
In de naloop van de Tweede Wereldoorlog, na de intrede van de eerste processoren, leidde de opmars van de computer – één der meest intrigerende uitvindingen in het bestaan van de mensheid – de wereld in een totaalverandering.
De transistor is een fundamenteel onderdeel van elektronische apparatuur en valt niet weg te denken uit onze moderne systemen. Een computerchip bestaat uit een geïntegreerd circuit, meestal ontworpen uit silicium. Transistoren maken deel uit van dat circuit.
De processor is namelijk een compilatie uit een hele reeks transistoren, samen vormen ze het hart en brein van computers.
In de jaren zeventig was het mogelijk om enkele duizenden transistors per chip te plaatsen, terwijl de dag van vandaag biljoenen transistoren plaats nemen in dat veld. Om maar een idee te geven, de nieuwste telg van Apple, de iPhone7, heeft iets meer als 3 miljard transistoren netjes verpakt op een oppervlak amper de grootte van een kleine munt.
Nu, (Gordon) Moore’s wet stelt dat het aantal transistors in een circuit om de twee jaar verdubbelt.
Hoewel de wet al enkele decennia heeft stand gehouden hadden wetenschappers al eerder gewaarschuwd voor het feit dat de natuurwetten miniaturisering van de componenten niet zouden blijven toestaan, waardoor de voorspelling van de oprichter van Intel uiteindelijk, vroeg of laat, op een einde zou lopen.
De commerciële computerchips die vandaag op de markt zijn maken gebruik van transistoren met poorten van om en bij de 20 nanometer, terwijl wetenschappers 5 nanometer als de ultieme limiet hadden opgegeven. (Kwantumcomputers zijn één van de alternatieve oplossingen, omdat chips gemanipuleerd worden via andere wegen dan de traditionele digitale machinerie.)
Maar een team van wetenschappers, onder leiding van Ali Javey van het Berkeley Lab, slaagde erin de kleinste transistor ooit te ontwerpen. Dit verkregen ze door het gebruikelijke silicium in te ruilen voor molybdeendisulfide (MoS2) en door een poort van slechts een 1 nanometer te hanteren via een enkelwandig koolstofbuisje, of opgerold grafeen.
“De lengte van de poort wordt beschouwd als een bepalende dimensie van de transistor. We vertoonden een 1-nanometer-poort transistor, waaruit blijkt dat door de keuze van de juiste materialen er veel meer ruimte beschikbaar is om onze elektronica te krimpen.” vertelde Javey.
De sleutel van het onderzoek bestond eruit om koolstofbuisjes en MoS2 te verenigen tot een geslaagd koppel.
Transistoren bestaan uit drie elementen: Dat is een bron, afvoer en poort. Waar via een gecontroleerde poort, die aan- en uitschakelt als een reactie op aangelegde spanning, er stroom van de bron naar de afvoer vloeit.
Zowel silicium als molybdeen hebben een kristallijne structuur, terwijl elektronen die door silicium vloeien, minder resistentie kennen.
Een pluspunt wanneer de poort langer is als 5 nanometer.
Echter, onder die lengte treedt het kwantummechanisch fenomeen ’tunneling’ op en kan de poort de elektronen niet langer belemmeren om over te steken en stroom te voeren.
Dat betekent evenveel dat we transistoren niet kunnen uitschakelen,
sprak Sujay Desai, leidinggevend auteur van de studie.
“De elektronen zijn niet langer onder controle.”
Molybdeen is eveneens te schalen tot atomaire lagen, ongeveer 0,65nm dik, en het kent een lagere permittiviteit, een bepalende maatstaf wat betreft het vermogen van een materiaal om energie op te slaan in een elektrisch veld. Beide eigenschappen, naast de massa van het elektron, dragen bij tot de mogelijkheid van het regelen van elektrische stroom in de transistor wanneer de poortlengte wordt verminderd tot 1 nanometer.
Eenmaal het molybdeen werd opgezet als halfgeleider materiaal was het tijd om een poort te maken. Conventionele lithografie technieken laten het afweten op deze schaal. De wetenschappers hebben zich daarom gericht tot koolstofbuisjes, cilindervormige buisjes met een diameter zo klein als een 1 nanometer.
Daarna werden elektronische vaardigheden van de toestellen gemeten om aan te tonen dat de MoS2 transistor en de poort van opgerold grafeen wel effectief de stroom van de elektronen konden controleren.
“Dit werk vertoont de kleinste transistor ooit”, zei Javey.
Hoewel de wetenschappers de transistor nog niet op een chip hebben verpakt, en de toestellen nog niet uitvoerig werden getest op defecten, toont het wel aan dat de chipindustrie onder de limiet van 5 nanometer poorten kan duiken.
Met andere woorden, verlengingen dus voor de Wet van Moore.
Foto: Sujay Desai/UC Berkeley
Bron: newscenter.lbl.gov