Kisel sjunger på sista versen och elektronikindustrin letar efter nya alternativ efter 5 nm. Nu presenteras världens hittills minsta transistor på 1 nm – baserad i princip på kol och smörjmedel.
Halvledarindustrin närmar sig raskt de fysiska gränserna för hur transistorer kan tillverkas med kisel, som har utgjort grunden för i princip all kommersiell transistortillverkning i över ett halvt sekel. Som bekant är möjligheten att tillverka allt mindre transistorer motorn som drivit datorindustrin framåt, med mer prestanda till en ständigt sjunkande kostnad och energiförbrukning.
I takt med att industrin närmar sig transistorstorlekar på cirka 5 nanometer kommer det behövas nya knep för att den utvecklingen ska ha en chans att fortsätta i någon mån. När kiseltransistorer närmar sig 5 nanometer blir det svårare att kontrollera flödet av elektroner, som med hjälp av tunnling kan hoppa över motståndet i grindarna. Med andra ord går en för liten kiseltransistor inte att stänga av.
Ett allt vanligare knep är att stapla flera lager av kretsar ovanpå varandra för att få plats med fler transistorer på samma yta utan att behöva krympa tillverkningsprocessen. Den metoden används idag flitigt för flashlagring (3D-NAND), och håller även på att bli vanligare för minnestillverkning (till exempel HBM). Samtidigt pågår ständigt en jakt på nya material som kan ta över efter kisel för att bygga mindre och snabbare transistorer, och fortsätta utvecklingen bortom vad som kan åstadkommas endast genom stapling.
Världens minsta transistor
Nu rapporterar forskare på Berkeley Labs materialforskningsdivision att man har lyckats tillverka världens hittills minsta transistor som mäter in på endast 1 nanometer. För ändamålet har man använt sig av nanorör, små kolbaserade strukturer med oerhört bra elektrisk ledningsförmåga.
Nanorör är i grund och botten en form av grafen, det vill säga ett hexagonalt mönster av kolatomer som endast är ett lager tjockt. I nanorör är grafenlagret ihoprullat till en cylinder, i det här fallet med en diameter på cirka 1 nanometer. Grafen (och därmed också nanorör) har gjort sig känt bland annat för just sin elektriska ledningsförmåga, men även för att vara notoriskt svårt att använda för transistortillverkning.
I sitt grundutförande finns det ingen mekanism för att stänga av elektronflödet genom grafen, och det är just det som forskarna på Bekeley Labs har försökt hitta en lösning på. Genom att kombinera nanorören med ett annat halvledarmaterial, molybdenum disulfid (eller MoS2), ökar motståndet i transistorn så att flödet kan styras precis som i en kiseltransistor – men på betydligt mindre skala.
Långt kvar till butikshyllorna
”This research shows that sub–5-nanometer gates should not be discounted… By changing the material from silicon to MoS2, we can make a transistor with a gate that is just 1 nanometer in length, and operate it like a switch.”
– Sujay Desai, forskare Berkeley Labs
Projektet markerar en viktig milstolpe och ger hopp om att det kommer finnas en hållbar ersättare när kisel väl når sina praktiska gränser. Det här är inte första gången som grafen och nanorör har tagits upp som en kandidat, är ett av de mest lovande exemplen hittills.
Precis som med så mycket annan grafenforskning är problemet att det inte finns någon färdig plan för tillverkning på större skalor. Forskarna har hittills bara tillverkat enstaka transistorer i labbmiljö, så vägen till att faktiskt kunna bygga mängder av fungerande kretsar på industriskala är fortfarande lång.
Med det sagt så är nanorör i regel lättare att arbeta med än stora grafenlager, eftersom rören endast behöver små bitar grafen och inte stora, felfria stycken. MoS2 är dessutom förhållandevis kostnadseffektivt att använda, då det bland annat redan används som smörjmedel till motorer och andra maskiner. Förutsättningarna är därför relativt goda för att det här blir en hållbar teknik efter kislets pension, men än så länge ligger det som bäst flera år in i framtiden.
Trots att grafen i normaltillståndet inte är en halvledare (dvs kan bli styrd som en transistor) så kan kolnanorör ibland det. Problemet där har varit att styra odlandet (eng. grow) så att enbart halvledande rör skapas – det är bara en viss procent som blir detta, medan resten blir ledare.