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.