Создан транзистор c самым маленьким затвором в мире

Строение транзистора. В роли канала выступает бислой дисульфида молибдена, затвор — углеродная нанотрубка

Sujay Desai/UC Berkeley

Физики из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, а также университетов Калифорнии, Техаса и Стэнфорда создали транзистор с рекордно малым размером затвора — части устройства, отвечающей за включение и отключение. Его длина составила всего один нанометр — в 20 раз меньше, чем в современных устройствах. Ключевым для создания транзистора стало использование в качестве основного материала атомарно тонких слоев дисульфида молибдена. В случае традиционных кремниевых транзисторов минимальный размер затвора ограничен пятью нанометрами. Исследователи отмечают, что разработанная технология не адаптирована для массового производства, но тем не менее работа показывает, что предел миниатюризации транзисторов еще не достигнут. Исследование опубликовано в журнале Science, кратко о нем сообщает пресс-релиз лаборатории.

Основной деталью современных микроэлектронных устройств являются транзисторы — полупроводниковые приборы, способные изменять свою электропроводность под действием приложенного управляющего напряжения. Полевые транзисторы (самый распространенный тип) состоят из трех основных частей — истока, затвора и стока. В простейшем случае в транзисторе есть два разных типа проводников с различными видами проводимости. Между истоком и стоком есть канал, через который могут перемещаться носители заряда, часть этого канала контактирует с полупроводником другого типа проводимости. Если приложить к последнему напряжение, то возникает запирающий слой, повышающий сопротивление канала — транзистор «отключается». 

Современные транзисторы имеют размеры порядка десятков нанометров — на таких расстояниях начинают сказываться различные побочные эффекты, связанные с квантовой природой носителей зарядов, электронов. Так, при малых длинах канала, расположенного рядом с затвором, электроны могут «не обращать внимания» на запирающий слой и попросту туннелировать сквозь него. Такой транзистор невозможно выключить. Этот эффект можно подавить, увеличив эффективную массу электронов и сделав их менее подвижными. Эффективная масса носителей заряда — это такая масса, имея которую в вакууме частицы двигались бы так же, как двигаются в реальном материале. Изменить ее можно, выбрав другой материал для транзистора.

В новой работе авторы использовали для канала транзистора слой дисульфид молибдена толщиной в несколько атомных слоев. Эффективная масса носителей заряда в нем в несколько раз выше, чем в кремнии. Роль управляющего электрода, изменявшего состояние затвора, играла одиночная углеродная нанотрубка. От затвора она отделена слоем диэлектрика — оксида циркония. 

Чтобы собрать подобное устройство, ученые пользовались высокоточными техниками — на первом этапе одиночную углеродную нанотрубку переносили на подложку. Затем с помощью сканирующей электронной микроскопии физики устанавливали точное положение нанотрубки на подложке и напыляли на ее концы палладий. Образовывались контакты большой площади, благодаря которым можно было подавать напряжение на затвор. Затем с помощью техники атомного послойного осаждения авторы наносили слой оксида циркония требуемой толщины. Следом за этим на диэлектрик помещали дисульфид молибдена и напыляли контакты — исток и сток.

Эксперименты с устройством показали, что проводимость транзистора управляется напряжением на затворе. Ток, проходящий через транзистор в выключенном состоянии, в миллион раз меньше, чем ток включенного транзистора. 

Авторы отмечают, что хотя разработанные транзисторы гораздо меньше, чем используемые в современных устройствах, их массовое производство на сегодняшний день потребует значительных усовершенствований техник литографии. Так, сложность представляет рост больших по площади моноатомных слоев дисульфида молибдена, а также технология нанесения на них металлических контактов.


Для того чтобы увеличить скорость работы и другие характеристики транзисторов, физики используют необычные материалы. Так, недавно материаловеды из Университета Висконсина впервые создали транзистор на основе углеродных нанотрубок, обошедший кремниевые устройства по плотности тока насыщения. Создать в некотором смысле биосовместимые транзисторы удалось шведским физикам — ученые превратили в транзисторы клетки садовой розы.

Владимир Королёв

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.