Durante más de una década, los ingenieros han estado observando la línea de meta en la carrera para reducir el tamaño de los componentes en los circuitos integrados. Sabían que las leyes de la física habían establecido un umbral de 5 nanómetros en el tamaño de las puertas de transistores entre los convencionalessemiconductores, aproximadamente un cuarto del tamaño de los transistores de puerta de 20 nanómetros de alta gama ahora en el mercado.
Algunas leyes están hechas para ser violadas, o al menos impugnadas.
Un equipo de investigación dirigido por el científico de la facultad Ali Javey en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía Berkeley Lab ha hecho exactamente eso al crear un transistor con una puerta de 1 nanómetro en funcionamiento. En comparación, un mechón de cabello humano se trata50,000 nanómetros de espesor.
"Hicimos el transistor más pequeño reportado hasta la fecha", dijo Javey, investigador principal principal del programa de Materiales Electrónicos en la División de Ciencia de Materiales de Berkeley Lab. "La longitud de la puerta se considera una dimensión definitoria del transistor. Demostramos un nanómetro 1transistor de compuerta, que muestra que con la elección de los materiales adecuados, hay mucho más espacio para reducir nuestros componentes electrónicos ".
La clave era usar nanotubos de carbono y disulfuro de molibdeno MoS 2 , un lubricante para motores que se vende comúnmente en tiendas de autopartes.MoS 2 es parte de una familia de materiales con un inmenso potencial para aplicaciones en LED, láseres, transistores a nanoescala, células solares y más.
Los hallazgos fueron publicados hoy en la revista ciencia . Otros investigadores en este documento incluyen a Jeff Bokor, científico senior de la facultad en Berkeley Lab y profesor en UC Berkeley; Chenming Hu, profesor en UC Berkeley; Moon Kim, profesor en la Universidad de Texas en Dallas; y HSPhilip Wong, profesor de la Universidad de Stanford.
El desarrollo podría ser clave para mantener viva la predicción del cofundador de Intel, Gordon Moore, de que la densidad de los transistores en los circuitos integrados se duplicaría cada dos años, permitiendo un mayor rendimiento de nuestras computadoras portátiles, teléfonos móviles, televisores y otros dispositivos electrónicos.
"La industria de los semiconductores ha asumido durante mucho tiempo que cualquier puerta por debajo de 5 nanómetros no funcionaría, por lo que nada por debajo de eso ni siquiera se consideró", dijo el autor principal del estudio, Sujay Desai, un estudiante graduado en el laboratorio de Javey. "Esta investigación muestra queLas puertas de 5 nanómetros no deben descontarse. La industria ha estado exprimiendo hasta el último bit de capacidad del silicio. Al cambiar el material de silicio a MoS 2 , podemos hacer un transistor con una puerta de solo 1 nanómetro de longitud y operarlo como un interruptor "
cuando 'los electrones están fuera de control'
Los transistores consisten en tres terminales: una fuente, un drenaje y una compuerta. La corriente fluye desde la fuente hacia el drenaje, y ese flujo es controlado por la compuerta, que se enciende y apaga en respuesta al voltaje aplicado.
tanto silicio como MoS 2 tienen una estructura de red cristalina, pero los electrones que fluyen a través del silicio son más ligeros y encuentran menos resistencia en comparación con el MoS 2 . Eso es una bendición cuando la puerta es de 5 nanómetros o más. Pero por debajo de esa longitud, entra en acción un fenómeno de mecánica cuántica llamado tunelización, y la barrera de la puerta ya no puede evitar que los electrones entren desde la fuente a la fuenteterminales de drenaje.
"Esto significa que no podemos apagar los transistores", dijo Desai. "Los electrones están fuera de control".
Porque los electrones fluyen a través de MoS 2 son más pesados, su flujo se puede controlar con longitudes de compuerta más pequeñas. MoS 2 también puede reducirse a láminas atómicamente delgadas, de aproximadamente 0,65 nanómetros de espesor, con una constante dieléctrica más baja, una medida que refleja la capacidad de un material para almacenar energía en un campo eléctrico. Ambas propiedades, además de la masa deel electrón, ayuda a mejorar el control del flujo de corriente dentro del transistor cuando la longitud de la puerta se reduce a 1 nanómetro.
Una vez que se establecieron en MoS 2 como material semiconductor, era hora de construir la puerta. Resulta que hacer una estructura de 1 nanómetro no es poca cosa. Las técnicas de litografía convencionales no funcionan bien a esa escala, por lo que los investigadores recurrieron a los nanotubos de carbono, tubos cilíndricos huecos con diámetros tan pequeños como 1 nanómetro.
Luego midieron las propiedades eléctricas de los dispositivos para mostrar que el MoS 2 el transistor con la puerta de nanotubos de carbono controla efectivamente el flujo de electrones.
"Este trabajo demostró el transistor más corto de todos los tiempos", dijo Javey, quien también es profesor de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación en UC Berkeley. "Sin embargo, es una prueba de concepto. Todavía no hemos empaquetado estos transistores en un chip, yno lo hemos hecho miles de millones de veces. Tampoco hemos desarrollado esquemas de fabricación autoalineados para reducir las resistencias parasitarias en el dispositivo. Pero este trabajo es importante para demostrar que ya no estamos limitados a una puerta de 5 nanómetros para nuestrotransistores. La Ley de Moore puede continuar por un tiempo más mediante la ingeniería adecuada del material semiconductor y la arquitectura del dispositivo ".
El trabajo en Berkeley Lab fue financiado principalmente por el programa de Ciencias Básicas de Energía del Departamento de Energía.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Original escrito por Sarah Yang. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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