Самый маленький транзистор – Наука: Наука и техника: Lenta.ru

Создан самый маленький транзистор

Для уменьшения размеров транзистора ученые IBM использовали новую технологию, позволившую им установить на основании электроды, размером в 10 нанометров, подающие или отводящие электрический ток от углеродной нанотрубки.

Поскольку полупроводниковая отрасль уже практически добралась до наноразмерного уровня, с каждым годом становится все тяжелей и тяжелей соблюдать известный всем закон Гордона Мура, согласно которому количество транзисторов на чипах процессоров и их вычислительная мощность должны удваиваться каждые два года. И недавно специалисты компании IBM нашли еще один путь, благодаря которому закон Мура сможет продолжать действовать еще некоторое время. Используя углеродные нанотрубки, состоящие из одного из самых тонких материалов в природе, ученые IBM создали транзисторы с самыми маленькими на сегодняшний день размерами их элементов. Но при этом, новые транзисторы существенно выигрывают у кремниевых аналогов по скорости их работы.

Создан самый маленький транзистор

Следует отметить, что ученые уже достаточно давно экспериментируют с транзисторами на углеродных нанотрубках, крошечных трубках, диаметром около 1 нанометра, стенки которых состоят из атомов углерода и имеют толщину в один атом. Однако ученые постоянно сталкиваются с массой трудностей технического и технологического плана. Эти трудности заставляют исследователей идти на компромиссы, некоторые из которых определяют, что для обеспечения высокой скорости и эффективности работы, размеры нанотрубочных транзисторов должны быть больше размеров традиционных кремниевых транзисторов, которые составляют сейчас порядка 100 нанометров.

Для уменьшения размеров транзистора ученые IBM использовали новую технологию, позволившую им установить на основании электроды, размером в 10 нанометров, подающие или отводящие электрический ток от углеродной нанотрубки. Эти электроды изготовлены из молибдена, материала, который хорошо сочетается и контактирует с углеродом на концах нанотрубок. А добавка кобальта к материалу электродов позволила проводить технологический процесс при более низкой температуре.

Но для того, чтобы транзистор можно было использовать в практических целях, он должен иметь возможность проводить больший электрический ток, нежели может провести через себя одна углеродная нанотрубка. Ученым удалось «уложить» параллельно несколько нанотрубок, длина которых равнялась всего 7 нанометрам и надежно соединить их концы с молибденово-кобальтовыми электродами.

Создан самый маленький транзистор

В результате всего перечисленного выше полный размер структуры нанотрубочного транзистора составил всего 40 нанометров. Так как первые такие транзисторы являются лишь опытными образцами, приводить их точные характеристики не имеет никакого смысла, стоит упомянуть лишь, что новые транзисторы имеет более высокую скорость работы и эффективность, нежели ближайшие кремниевые аналоги.

В ближайшем времени специалисты компании IBM планируют заняться изготовление нанотрубочных транзисторов, в которых будут использованы нанотрубки, длиной в 5 нанометров. И такие транзисторы, за счет меньшей длины канала, смогут работать еще на более высоких скоростях, потребляя меньше энергии, чем требуется транзисторам с 7-нм нанотрубками. опубликовано econet.ru 

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление — мы вместе изменяем мир! © econet

econet.ru

Создан самый маленький в мире трёхмерный транзистор

Инженеры из США более чем вдвое уменьшили толщину транзистора по сравнению с коммерческими аналогами. Это достижение позволит создать значительно более мощные компьютеры, лишь слегка изменив технологию производства микросхем.

В 1960-х годах увидел свет знаменитый закон Мура, в своей современной формулировке утверждающий, что количество транзисторов на чипе удваивается каждые два года. Благодаря этому человечество постоянно получает всё более мощные компьютеры: растёт производительность процессоров и объём оперативной памяти.

В последние годы популярной стала технология изготовления очень тонких транзисторов, которые размещаются на чипе вертикально. Как сообщает издание New Atlas, всего несколько лет назад промышленный стандарт толщины таких транзисторов составлял 14 нанометров. Сегодня это 10 нанометров, и всё больше устройств переходят на 7 нанометров, а в опытных образцах используются и пятинанометровые транзисторы.

Для сравнения: атом водорода, самый простой и маленький среди всех химических элементов, имеет размер 0,1 нанометра! Другими словами, уже сегодня коммерческие транзисторы имеют толщину в считанные молекулы. На микросхеме размером с ноготь умещаются десятки миллиардов таких деталей.

Делать их ещё меньше становится всё сложнее, и в последние годы закон Мура начал «пробуксовывать». В связи с этим разные исследовательские группы предлагают такие радикальные решения, как, например, транзистор из одной нанотрубки, слоя толщиной в один атом или нитей ДНК. Однако переход на такие технологии может потребовать полной перестройки всей промышленности, выпускающей микросхемы.

Тем временем инженеры Массачусетского технологического института (MIT) и Университета Колорадо нашли способ уменьшить толщину транзистора, что называется, малой кровью. При этом транзистор остаётся трёхмерным, то есть по всем трём измерениям имеет толщину более одного атома. Предложенное авторами решение потребует лишь немного изменить стандартные технологические процессы.

Авторов интересовало производство транзисторов из арсенида индия-галлия (или InGaAs). Это вещество широко признано как перспективная замена стандартного на сегодняшний день кремния. Транзисторы из него получаются более быстрыми и эффективными.

Толщина большинства созданных авторами транзисторов оказалась менее 5 нанометров

Обычно для его производства на подложку осаждаются вещества, которые вступают друг с другом в химическую реакцию. Продуктом этой реакции и является арсенид индия-галлия. Он остаётся на подложке в виде тонкой плёнки, которая станет материалом для будущих транзисторов.

Затем на заготовку накладывается специальная решётка или, как говорят специалисты, маска. В таком виде полученная плёнка подвергается воздействию света, который вызывает в ней новые химические реакции. В областях, закрытых маской (это и есть будущие транзисторы), реакции не происходят.

Таким образом, на этом этапе плёнка превращается в готовые транзисторы, отделённые друг от другая промежутками из «мусорного вещества», образовавшегося под воздействием света.

Теперь этот «балласт» необходимо удалить. Здесь-то и скрыто новшество.

Традиционные методы предполагают обработку заготовки ионами с высокой энергией. Однако при таком способе «очистки» частично повреждаются и сами транзисторы. Кроме того, при этом заготовка контактирует с воздухом, и окисление снижает потенциальную производительность будущих деталей.

Авторы применили иной метод. Для удаления «мусорного вещества» (травления) заготовка подвергается воздействию фтористого водорода (HF). При этом на ней остаётся атомарно тонкий слой фторидов. Этот слой обрабатывается диметилалюминийхлоридом (АlСl(СН3)2). При этом происходят очередные химические реакции.

После этого заготовка продувается химически неактивным газом. Этот поток уносит побочные продукты, неизрасходованный АlСl(СН3)2… и слой атомов «мусорного вещества». Процесс повторяется сотни раз.

«В каждом цикле мы можем вытравить всего 0,02 нанометра материала. Это дарит нам сверхвысокую точность и тщательный контроль процесса», – говорит соавтор разработки Вэньцзе Лу (Wenjie Lu) из MIT.

Важно, что травление производится в той же камере, что и формирование плёнки из арсенида индия-галлия. Оборудование требуется лишь немного модифицировать, так что производителю не придётся идти на грандиозные траты.

Используя эту технологию, команда изготовила транзисторы стандартного для нынешней техники класса FinFET. Большинство из них получилось толщиной менее пяти нанометров, а самые тонкие – менее 2,5 нанометра. Авторы заявляют, что это рекорд для трёхмерных транзисторов.

Кроме того, эти транзисторы эффективнее обычных, так как в процессе изготовления не подвергались губительному воздействию воздуха.

В частности, новые детали на 60% лучше стандартных по транскондуктивности (transconductance). Если не вдаваться в детали, эта величина определяет, насколько малое напряжение требуется для переключения транзистора из одного состояния в другое.

Кроме того, новшество позволило повысить контрастность – разницу между силой тока, проходящего через транзистор в состоянии «включён» и «выключен». Поясним, что чем больше контрастность, тем выше эффективность вычислений. По утверждению авторов, на сегодняшний день по этому параметру их детище превосходит все остальные FinFET-транзисторы.

Достижение было представлено на Международной конференции по электронным устройствам Института инженеров электротехники и электроники (IEEE IEDM 2018).

nauka.vesti.ru

В университете Беркли создали транзистор размером в нанометр / Habr

Группа физиков из Национальной лаборатория имени Лоуренса в Беркли создала первый в мире транзистор, размер затвора которого составляет всего лишь один нанометр. Это на порядок меньше, чем размер затворов самых маленьких по размеру современных транзисторов.

«Нам удалось создать самые маленькие на сегодняшний день транзисторы. Размер затвора — один из основных факторов, определяющих размер самого транзистора. Мы добились радикального снижения размера затвора, доказав возможность дальнейшей миниатюризации электроники», — говорит Али Джави (Ali Javey) из Калифорнийского университета в Беркли (США).


Считается, что из-за квантовых ограничений размер затвора кремниевого транзистора не может быть меньше 5 нм. Если попытаться сделать затвор меньшим по размеру, то на работу элемента будет оказывать негативное влияние туннельный эффект. В этом случае транзистор прекращает выполнять свои функции из-за токов утечки и других проблем.

До граничного показателя в 5 нм производители электронных устройств еще не добрались. Сейчас минимальный размер затвора транзисторов составляет 20 нанометров. Но ученые, как видим, уже доказали возможность преодоления лимита в 5 нанометров. Для того, чтобы обойти ограничение по кремнию, для создания миниатюрных электронных элементов специалисты решили использовать другие материалы: дисульфид молибдена, графена или углеродные трубки.

Ученым из Беркли удалось объединить в единую систему дисульфид молибдена (MoS2) и углеродные нанотрубки. Такая комбинация позволила значительно снизить размеры затвора. Самый маленький транзистор в мире состоит из трех основных слоев. Это подложка из кремния, пластинка из диоксида циркония, проходящая через этот материал углеродная трубка и пленка из дисульфида молибдена. Пленка соединяет исток и сток транзистора. Как и кремний, дисульфид молибдена имеет кристаллическую структуру решетки. Но проходящие по MoS2 электроны тяжелее, чем в кремнии. Это означает, что электроны лучше удерживаются энергетическим барьером затвора.

Ученые говорят о том, что дисульфид молибдена образует листы толщиной в 0,65 нм c низким значением диэлектрической проницаемости. По этой причине небольшие затворы транзисторов смогут вырабатывать электрическое поле, достаточно сильное, чтобы не допустить появления туннельного эффекта. К сожалению, миниатюрные транзисторы, созданные в Беркли — это штучная работа, массово их производить пока нельзя.

«Создав транзистор, мы доказали, что затвор меньшего размера, чем 5 нм — вполне достижимая цель. Это ограничение оказалось преодолимым. И закон Мура может и дальше действовать, при условии, что мы будем выбирать правильные материалы», — заявил Джави. Если специалисты научатся создавать такие транзисторы в промышленных масштабах, то в ближайшее время закон Мура действительно будет продолжать действовать.

Закон Мура выведен Гордоном Муром по результатам эмпирического наблюдения. Согласно закону количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца. Этот «закон» известен уже более полувека. Собственно, это и не закон, но его положения, в целом, справедливы.

Представители Ассоциации полупроводниковой промышленности (Semiconductor Industry Association) этой весной опубликовала исследование, согласно которому в ближайшие шесть лет закон Мура перестанет действовать. Причина — в предельном размере затворов транзисторов, о чем было написано выше. Одна из предлагаемых альтернатив — это создание 3D-чипов с вертикальным расположением ядер, а не горизонтальным. Правда, в этом случае появляется еще одна важная проблема — это перегрев чипов. При объемной конструкции чипы будут нагреваться намного сильнее, и в этом случае во всех системах с электронными компонентами с ветикальной компоновкой ядер нужно будет использовать жидкостное охлаждение.

Некоторые эксперты считают, что закон Мура не выполняется с приписываемой ему точностью. Вполне может быть, что он известен только благодаря корпорации Intel и ее маркетинговой политике. Тем не менее, сейчас это уже больше, чем маркетинг, поскольку многие технологические компании обращают внимание на закономерность, названную законом, долгое время определяющую темпы развития полупроводниковой индустрии.

С момента появления появилось несколько интерпретаций закона Мура:

  • производительность микропроцессоров удваивается каждые два года;
  • плотность транзисторов на чипе увеличивается в два раза каждые 18 месяцев;
  • чипы одного и того же типа становятся в два раза дешевле каждые 18 месяцев;
  • производительность (вычислительная мощность) ПК увеличивается каждые 18 месяцев;
  • число транзисторов в новых чипах удваивается каждые два года.

Результаты работы ученых были опубликованы 7 октября в журнале Science.

habr.com

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.

Слева направо, сверху-вниз: строение транзистора, микрофотография затвора, микрофотография всего транзистора, микрофотография среза, распределение элементов в срезе транзистора

Sujay B. Desai et al. / Science, 2016

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

nplus1.ru

Самый маленький в мире транзистор стал более удобным

Одноатомные транзисторы могут значительно уменьшить потребление энергии компьютерами.

Миллиарды обычных транзисторов в современных процессорах поглощают очень много энергии. (Фото: ADDRicky / Depositphotos) 


Изобретение полупроводниковых транзисторов привело к цифровой революции. Современные процессоры из кремния содержат миллиарды электронных компонентов (пока что рекорд здесь – около 18 млрд транзисторов в одном процессоре).


Тем не менее у привычной технологии есть ограничения и недостатки – в том числе относительно высокая энергоемкость. В индустриально развитых странах на компьютеры и другие электронные устройства приходится около 10% от общего потребления энергии. Сократить его могут помочь одноатомные транзисторы.



Первые опытные образцы транзисторов, в которых для управления током используются отдельные атомы, созданы еще в первой половине 2000-х. Одно из первых подобных устройств сделали инженеры под руководством Томаса Шиммеля (Thomas Schimmel) в Технологическом институте Карлсрэ: расстояние между металлическими контакты в транзисторе не превышало размера атома.


С помощью управляющего электрода в зазор сначала помещали, а затем убирали атом серебра, который служил ключом, открывающим путь для электрического тока. Одноатомный транзистор давал возможность управлять токами в 10 тысяч раз меньшими, чем позволяют полупроводниковые транзисторы. Однако прототип получился непригодным для практического применения: его контакты должны постоянно находиться в жидкости, а ведь довольно трудно представить процессор с миллиардами ячеек, заполненными жидкостью.



Недавно исследователи предприняли попытку сделать транзистор менее капризным. Вместо жидкого электролита с атомами серебра они поместили между контактами гель, который тоже содержит атомы серебра и который сделан на основе пирогенного диоксида кремния. В итоге удалось избежать протечек, которые возникали в случае с жидким наполнителем. Что же до самого геля, то производство пирогенного диоксида кремния в мире давно освоено, как отмечают в Advanced Materials авторы работы.


В дальнейшем совершенствование технологии может дать нам «вечную» электронику, которая годами будет работать от небольших батарей. А компьютеры на одноатомных транзисторах могут косвенно уменьшить выброс в атмосферу углекислого газа – за счет низкого потребления энергии.


Стоит отметить, что на привычные полупроводниковые приборы сейчас наступают с нескольких сторон, и у одноатомных транзисторов здесь есть мощные конкуренты. Так, в нескольких лабораториях – в том числе в лаборатории IBM – пытаются создать новые мощные и надежные процессоры, используя свойства графена. 

www.nkj.ru

Ученые создали самый маленький в мире транзистор

Закон Мура сможет быть актуальным еще несколько десятилетий благодаря разработке группы исследователей из лаборатории Беркли в США. Ученые создали функциональный транзистор с затвором длиной 1 нанометр. Ранее физики считали 5 нанометров предельным размером для устройств такого типа.

Ученые из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли добились такого результата за счет использования углеродных нанотрубок и дисульфида молибдена (MoS2) — смазочного вещества, которое можно найти в любом магазине автозапчастей. MoS2 обладает большим потенциалом для создания светодиодов, лазеров, нанотранзисторов и солнечных панелей. Дисульфид молибдена выполняет роль полупроводника, а пустые нанотрубки работают, как затвор, который контролирует поток электронов, пишет Science Daily.

По мнению большинство физиков, предельный минимальный размер транзистора составляет 5 нанометров. При этом в данный момент на рынке доступны транзисторы с затвором не менее 20 нанометров. Американские ученые создали транзисторы с длиной затвора 1 нанометр. Однородность Вселенной доказана

Пока что разработка находится на ранних стадиях. Чтобы вновь утвердить закон Мура, ученым необходимо разработать качественный метод массового производства транзисторов длиной 1 нанометр, а также представить чип на их основе. Но даже на этом этапе открытие доказывает, что применение новых материалов, а не только привычного кремния, позволит уменьшать размер транзисторов. А значит, компьютеры будут становиться все более мощными и эффективными.

«Индустрия полупроводников долгое время полагала, что затвор длиной 5 нанометров — это предел. Наше исследование доказывает, что это не так. Не надо выжимать максимум возможностей из кремния. Сменив кремний на MoS2, мы смогли создать транзистор с затвором в 1 нанометр, который работает, как выключатель», — отметил руководитель исследования Али Джавей.

Кремний постепенно перестает играть доминирующую роль в индустрии. Недавно инженеры из Висконсинского университета в Мадисоне создали из массивов углеродных нанотрубок решетки для резисторов с силой тока в 1,9 раз выше, чем у кремниевых транзисторов, а в потенциале — и в 5 раз выше.

При этом многие эксперты полагают, что следование закону Мура ведет к тупику. На интегральной схеме нельзя уместить бесконечное количество транзисторов, поэтому их число не сможет удваиваться каждые два года. Согласно отчету Ассоциации полупроводниковой промышленности, к 2021 году транзисторы перестанут уменьшаться в размерах в силу экономических причин. В этих условиях ученые ищут новые способы повысить эффективность интегральных схем — например, используют хаотичную структуру или применяют вихревые лазеры.

www.nanonewsnet.ru

Создан самый маленький в мире транзистор (3 фото) » 24Gadget.Ru :: Гаджеты и технологии

Создан самый маленький в мире транзистор (3 фото)
До настоящего времени в полупроводниковой промышленности считалось, что транзисторы, выполненные по техпроцессу менее 5-нм, не будут работать, поэтому их разработка и изготовление даже не рассматривались. Но теперь эта теория, пошатнулась благодаря изысканиям научных сотрудников Калифорнийского университета в Беркли. Им удалось создать транзисторы по 1-нм техпроцессу за счет применения углеродных нанотрубок (графен) и дисульфида молибдена (MoS2).

Принято считать, что из-за квантовых ограничений длина затвора в кремниевых транзисторах не может быть меньше 5 нанометров. Причиной тому служит туннельный эффект, когда электроны начинают проходить через энергетический барьер транзистора, и электронный компонент уже не может работать. Для решения этой проблемы ученые использовали конструкцию из трёх слоев — подложки из кремния, пластинки из диоксида циркония с проходящей в ней углеродной нанотрубки и тонкой плёнки дисульфида молибдена, который в сравнении с кремнием обладает более низкой диэлектрической проницаемостью. В результате затвор даже из одной углеродной нанотрубки создает достаточное электрическое поле, чтобы не дать электронам «прыгать» с одного конца транзистора на другой из-за квантового туннелирования.

Создан самый маленький в мире транзистор (3 фото)
Важно отметить, что такой результат достигнут не впервые. Ещё в 2008 году исследователи из университета Манчестера использовали графен для создания транзистора по 1-нм техпроцессу, содержащего лишь несколько углеродных колец. Двумя годами ранее корейские ученые использовали технологию FinFET, чтобы перейти на 3-нм техпроцесс. Однако решение учёных из Беркли отличается от ранних открытий стабильностью своей работы.Создан самый маленький в мире транзистор (3 фото)
Впрочем, исследователи из Беркли еще не пытались компоновать новые транзисторы на кристалле и не изучали вопрос производства чипов в промышленных масштабах. В наши же дни самые новейшие процессоры (например, Kaby Lake от Intel) созданы по 14-нанометровому технологическому процессу. Следующий шаг — выпуск чипсетов с длиной затвора 10 нм. Над созданием соответствующей промышленной технологии, которая позволит «печатать» прогрессивные чипы, работают такие признанные чипмейкеры, как Intel, Qualcomm и MediaTek.

Для потребителей данная технологическая революция может означать, что устройства станут ещё мощнее, но с сохранением нынешних размеров, или компактнее.

Источник: engadget.com

24gadget.ru

Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *