Ook op minuscuul niveau kunnen transistoren hoogwaardige prestaties leveren

Transistors op basis van atoomdunne halfgeleiders zouden probleemloos moeten kunnen worden verkleind tot afmetingen die relevant zijn voor toekomstige chipgeneraties. Althans, als we een nieuw onderzoek dat gepubliceerd is in Nature Nanotechnology mogen geloven. Daarmee verdwijnt een belangrijke onzekerheid rond tweedimensionale (2D-)halfgeleiders als opvolger van silicium.

Al tientallen jaren worden computerchips sneller en energiezuiniger doordat transistoren steeds kleiner worden. Die miniaturisering loopt echter tegen de grenzen van silicium aan. In de meest geavanceerde chips meten de kleinste transistoronderdelen nog slechts enkele nanometers, waardoor materiaaleffecten de prestaties steeds sterker beïnvloeden.

Daarom kijken onderzoekers al geruime tijd naar alternatieve halfgeleidermaterialen. Een van de meest veelbelovende kandidaten zijn tweedimensionale halfgeleiders, die uit slechts één of enkele atoomlagen bestaan. Door hun extreme dunheid bieden ze een uitstekende elektrostatische controle, waardoor ze geschikt zijn voor energiezuinige elektronica. De vraag was echter of deze materialen ook goed blijven functioneren wanneer transistoren verder worden verkleind.

Onderzoekers van Stanford University en Chalmers University of Technology bouwden transistoren met kanaalbreedtes van slechts 25 nanometer. Ondanks die geringe afmetingen presteerden de componenten vergelijkbaar met aanzienlijk bredere transistoren op basis van dezelfde materialen. Volgens medeonderzoeker Anton Persson, universitair hoofddocent aan Chalmers University of Technology, behoren de transistoren tot ‘de smalste hoogwaardige 2D-transistoren die tot nu toe zijn gerealiseerd’.

Hondenbot

Bij conventionele transistoren nemen de randen een steeds grotere invloed op het elektrische gedrag naarmate de componenten kleiner worden. Beschadigingen en onregelmatigheden aan die randen kunnen de prestaties sterk verslechteren. Om te onderzoeken hoe groot dat effect is bij 2D-materialen vervaardigden de onderzoekers nanoribbon-transistoren uit drie verschillende atoomdunne halfgeleiders. In alle gevallen bleven de schakelkarakteristieken behouden en presteerden de smalle transistoren vergelijkbaar met grotere varianten.

Een belangrijk onderdeel van het onderzoek was een nieuw transistorontwerp. De onderzoekers ontwikkelden een zogenoemde dog-bone-structuur, waarbij alleen het actieve kanaal extreem smal is, terwijl de gebieden onder de metalen contacten juist breder blijven. Die constructie voorkomt dat het kwetsbare 2D-materiaal tijdens de fabricage beschadigt en zorgt tegelijkertijd voor betrouwbare elektrische contacten.

Grootschalige productie?

Hoewel de resultaten de potentie van atoomdunne halfgeleiders onderstrepen, verwachten de onderzoekers niet dat silicium op korte termijn zal verdwijnen. Er moeten nog belangrijke uitdagingen worden opgelost voordat de materialen geschikt zijn voor grootschalige productie.