Új félvezető-anyagokat kísérleteztek ki a Stanford Egyetem kutatói. A két új anyag a jövőben a félvezetőiparban általánosan használt szilíciumot válthatja/egészítheti ki. Általuk a mai tranzisztorok vastagságának tizedét elérő méretű digitális kapuk is létrehozhatóvá válhatnak.

Jó rozsdásodás

Hafnium-diszelenid és cirkónium-diszelenid: ez a két anyag segítheti a félvezetőipart Moore törvényének még tovább való életen tartásában. Az új matériák számos, a szilíciumtól is elvárt tulajdonsággal bírnak, ezek egyike a rozsdásodás. Ez a rozsdásodás ugyanakkor nem pont az a nem kívánt folyamat, ami a vas esetében végbe megy; nagyon is kedvező az anyag oxidációja, számolt be a felfedezésről Eric Pop, a Science Advances újságban megjelent tanulmány társszerzője, egyben a Harvard Egyetem elektromérnök professzora.

A rozsdásodás, pontosabban az oxidáció segít a félvezetőben elkülöníteni az áramkört, egyben védve is azt a nem kívánt külső hatásoktól. A cikkünk tárgyát képező két új anyag esetében úgynevezett magas-K szigetelőket hoznak létre, ezzel pedig a szilícium és szilícium-oxid szigetelőréteg használatához képest is még alacsonyabbá válhat az elektromos áramkörök energiaigénye.

De nem csak a fogyasztás még lejjebb szorításában segít a két diszelenid. Az áramkör fizikai méreteinek csökkentésében is hatékony fegyverré válhatnak az új anyagok: a kutatók állítása szerint mindössze három atom vastagságú tranzisztorok is létrehozhatók általuk. A még kisebb digitális kapuk vékonyabb, energiahatékonyabb chipeket jelentenek, amiket szerte az iparban, de különösen a mobileszközök területén tudnának hasznosítani a piaci szereplők.

Nincs szilencium a szilíciumnak

A felfedezés mindazonáltal nem jelenti a szilícium közelgő halálát. Sőt, a három anyag kombinációja adhatja az átmenetet; a kutatók vélekedése szerint megfelelő kombinációban a jelenleginél is összetettebb processzorok hozhatók majd létre és az egy akkutöltéssel elérhető üzemidő kitolásában is komoly szerepet játszhatnak.

Tudni kell a szilíciumról, hogy minden mérnöki erőfeszítés ellenére az erre az anyagra alapuló tranzisztorok nem lehetnek 5 nanométeresnél vékonyabbak. Amennyiben ezen méret alá próbálnánk meg lemenni, az anyag tulajdonságai kedvezőtlen irányba változnának meg, ami tulajdonképpen ellehetetleníti a további méretcsökkentést. A hafnium-diszelenid és cirkónium-diszelenid szilíciummal való együtt használata azonban utat nyithat ezen a téren is.

Mindazonáltal nem valószínű, hogy a közeljövőben találkozni fogunk az új anyagokkal elektronikai eszközeinkben. A stanfordi kutatók közlése értelmében további fejlesztésekre van szükség, például a tranzisztorok és az áramkörök közötti kapcsolat javítása az egyik, megoldandó feladat. Ezen felül a szigetelőréteg megbízhatóságának növelését is fokozni kell ahhoz, hogy tömeggyártásba kerülő alapanyaggá válhassanak.

Kutatásban az IBM az első

Persze nem az amerikai egyetem az egyetlen, ahol új anyagokkal kísérleteznek. Már 2012-ben beszámoltunk arról, hogy az IBM egy karbon-nanocsövekre épülő eljárásban gondolkozik. Egy ilyen cső gyakorlatilag egy atom vastagságú réteg, melyet önmagába hajlítanak vissza: az így képzett nanocsövek a kutatások szerint a szilíciumnál is jobban vezetik az elektromos áramot, a formájuk tökéletes a tranzisztorként való alkalmazáshoz, és jóval kisebbek a jelenlegi szilícium alkotóelemeknél.

Természetesen eddig tart az elmélet, a gyakorlatban már akadnak kihívások. Az IBM öt éve úgy nyilatkozott, hogy csak akkorra vált elérhetővé az a gyártástechnológiai szint, amellyel a megfelelő precizitással kezelhetők az újfajta alkotóelemek, és kiküszöbölhetőek azok az anyaghibák, amelyek ebben a mérettartományban már komoly hibákat okozhatnak. Ennek ellenére nem sokat hallottunk az elmúlt fél évtizedben a nanocsöves tranzisztorok szórakoztatóelektronikai vagy informatikai alkalmazásáról, ami jól példázza, milyen nehéz kihívás a szilíciumtól való elszakadás.
 

És nem is feltétlenül kell a megszokott anyagról lemondani. Az egyetlen egy atomból álló tranzisztor gondolata elsőre talán őrültségnek hangzik, ennek ellenére az utóbbi években bebizonyosodott, hogy nem lehetetlen a szilícium kristály felültén felépíteni. A nanotechnológiában a pásztázó tűszondás mikroszkópiai technikák megjelenése hozott áttörést. Az IBM svájci laboratóriumában kifejlesztett technológiával valóra vált a felületek atomi léptékű leképzése és atomi léptékű átalakítása, manipulálása.

Amint az a fenti képen is látható, egyetlen foszfor atomból felépített tranzisztort is e módszer segítségével hozták létre az ausztráliai New South Wales egyetemen. A mikroszkóp lelke egy piezokristályra erősített fém tű, amelyet fókuszált ionsugárral kihegyezünk. A piezokristály elektromos áram hatására deformálódik, ezt nevezzük piezoelektromosságnak. A piezoelektromos-hatást felhasználva a kristályra szerelt tű nagy pontossággal pozícionálható, pásztázható a felület felett.

Az eljárásról bővebben itt olvashat.