TSMC har bygget transistoren som skal ta over etter silisium

Silisium nærmer seg veggen. Jo tynnere kanalen i en transistor blir, desto dårligere leder silisiumet strøm, siden elektronene begynner å sprette i overflatene isteden for å gå rett frem. Industrien har derfor lett lenge etter et materiale som tåler å bli gjort tynt.

Et av de mest lovende svarene er molybdendisulfid, eller MoS₂. Materialet kan lages i et lag på tre atomer, ett molybdenlag med et svovellag på hver side, og leder fortsatt strøm godt i den tykkelsen.

Men komponenten trenger et isolerende lag mellom kanalen og porten som styrer den, og det laget må være tynt for å gi god kontroll. Legger man det tradisjonelle materialet rett på et atomtynt lag, ødelegger man laget under.

En buffer på 0,42 nanometer

Løsningen fra National Yang Ming Chiao Tung University og TSMC Corporate Research, der Iuliana Radu ledet arbeidet sammen med NYCU-professorene Wen-Hao Chang og Tsung-En Lee, er et mellomlag av aluminiumoksid på omtrent 0,42 nanometer, dyrket ved å legge på aluminium og deretter oksidere det. Laget gjør to ting samtidig: Det gir en jevn flate som resten av isolasjonen kan vokse på, og det skjermer materialet under mot å bli forstyrret.

Oppå bufferen sitter hafniumoksid, som holder på elektriske felt langt bedre enn gammeldags silisiumoksid. Intel gikk over til slike materialer allerede i 2007, nettopp fordi silisiumoksidet ikke lenger kunne gjøres tynnere uten å lekke.

Til sammen svarer stabelen til rundt én nanometer silisiumoksid. Det tallet, kalt ekvivalent oksidtykkelse, sier hvor tynt et lag av det gamle materialet måtte vært for å gi samme kontroll.

Hva de målte

Komponenter med kanaler på rundt 100 nanometer nådde en maksimal transkonduktans på 0,45 millisiemens per mikrometer. Lekkasjen gjennom porten var lav, og hysteresen, altså hvor mye bryteren henger igjen når den skal slå av, var minimal.

Til nå har forskere måttet velge mellom sterk elektrisk kontroll og god ledningsevne i kanalen.

«Ved å konstruere grenseflaten fikk vi redusert en av de grunnleggende avveiningene som har begrenset todimensjonale transistorer», sier professor Wen-Hao Chang ved NYCU, en av forskerne bak arbeidet.

Langt igjen til fabrikken

Arbeidet ble publisert i det fagfellevurderte tidsskriftet Nature Electronics 31. juli. Det gjør det ikke til produksjonsteknologi.

Listen over uløste problemer er lang: Jevnhet over en hel wafer, kontroll på defekter, kontaktmotstand, holdbarhet, reproduserbarhet, stabil terskelspenning og evnen til å tåle varme og elektrisk stress over tid. Bryteren må dessuten bli skarpere, altså kreve mindre spenning for å gå fra av til på.

Én komponent med gode måltall er heller ikke det samme som milliarder av dem som alle oppfører seg likt.

Verdens største kontraktsprodusent av brikker bruker likevel ikke forskningsavdelingen sin på materialer den ikke ser for seg å produsere.