"Abbiamo creato il transistor più piccolo di sempre". Il professor Ali Javey, insieme a un team di ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), è riuscito a creare un transistor funzionante con un gate da 1 nanometro.
"La lunghezza del gate è considerata una dimensione che definisce il transistor. Abbiamo dimostrato che scegliendo i materiali giusti c'è molto più spazio per rimpicciolire l'elettronica", ha aggiunto Javey. Finora molti studiosi ritenevano che il limite fosse di 5 nanometri.
Per raggiungere un tale traguardo i ricercatori hanno usato nanotubi di carbonio e disolfuro di molibdeno (MoS2), un lubrificante per motori comunemente venduto nei negozi di ricambi per auto. MoS2 fa parte di una famiglia di materiali con un immenso potenziale per applicazioni in LED, laser, transistor su scala nanometrica, celle solari e altro ancora.
La ricerca è stata pubblicata su Science e potrebbe rappresentare uno sviluppo importante per mantenere in vita la Legge di Moore, data per morta a più riprese e secondo cui la densità di transistor nei chip integrati raddoppia ogni due anni.
"L'industria dei semiconduttori prevede da tempo che un gate sotto i 5 nanometri non funzioni, quindi qualsiasi cosa al di sotto non è stata nemmeno considerata", ha spiegato Sujay Desai, principale autore dello studio. "Questa ricerca dimostra che i gate sotto i 5 nanometri non dovrebbero essere accantonati. L'industria sta spremendo fino all'ultimo bit di capacità dal silicio. Cambiando il materiale dal silicio al MoS2 possiamo realizzare un transistor con un gate che ha una lunghezza di solo 1 nanometro e che funziona come un interruttore".
Come noto i transistor sono composti da tre terminali - source, drain e gate. La corrente scorre da source a drain, con un flusso controllato dal gate, che si attiva e disattiva come un interruttore in risposta alla tensione applicata. Sia il silicio che il MoS2 hanno una struttura reticolare cristallina, ma gli elettroni che scorrono nel silicio sono più leggeri e incontrano meno resistenza rispetto a MoS2.
Questo è un vantaggio quando il gate è 5 nanometri o più lungo, ma con una lunghezza inferiore subentra un fenomeno di meccanica quantistica chiamato tunneling, e la barriera formata dal gate non è più in grado d'impedire agli elettroni di muoversi verso source e drain. "Questo significa che non possiamo spegnere i transistor", ha affermato Desai. "Gli elettroni sono fuori controllo".
Dato che gli elettroni che scorrono attraverso MoS2 sono più pesanti, il loro flusso può essere controllato con gate di lunghezza inferiore. MoS2 può inoltre scalare su fogli con uno spessore di 0,65 nanometri, con una costante dielettrica inferiore, una misura che riflette l'abilità di un materiale di stoccare energia in un campo elettrico. Entrambe queste proprietà, oltre alla massa dell'elettrone, aiutano a controllare il flusso della corrente all'interno del transistor quando la lunghezza del gate è di 1 nanometro.
Una volta scelto MoS2 come materiale semiconduttore, ai ricercatori non è rimasto che costruire il gate. Non è facile creare una struttura di un nanometro. Le tecniche litografiche tradizionali non funzionano, quindi i ricercatori hanno optato per i nanotubi di carbonio.
In seguito hanno misurato le proprietà elettriche per dimostrare che il transistor MoS2 con il gate in nanotubi di carbonio controlla realmente il flusso degli elettroni. "Questo lavoro è un proof of concept. Non abbiamo ancora messo questi transistor su un chip e non l'abbiamo fatto miliardi di volte. Inoltre, non abbiamo sviluppato sistemi di fabbricazione per ridurre le resistenze parassite. Questo lavoro è importante per dimostrare che non siamo più limitati ai gate a 5 nanometri per i transistor. La legge di Moore può continuare a vivere ancora per un po' con una corretta ingegnerizzazione del semiconduttore e lavorando sull'architettura del transistor".
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