Transistor van een nanometer in zicht

Terwijl de ijverige chipindustrie om de paar jaar weer een maatje kleinere transistors uitspuwt, lijkt de fundamentele ondergrens binnen tien jaar in zicht. Amerikaanse wetenschappers denken nu nóg kleiner te kunnen met een prototype transistor die gebruikmaakt van een koolstofnanobuis. De afmeting is slechts een nanometer.

12 oktober 2016

In de zoektocht naar steeds snelle elektronica zijn de schakelingen in computerchips de afgelopen decennia steeds kleiner geworden. Maar het einde is in zicht, want volgens experts zou een enkele schakeling niet kleiner dan pakweg vijf nanometer kunnen worden. Amerikaanse wetenschappers komen nu met een prototype schakeling waarvan de zogenoemde gate (de ‘schakelaar’) slechts een nanometer groot is, ter vergelijking: een menselijke haar is al gauw 50.000 nanometer dik.

De Amerikanen zeggen de weg vrij te maken voor schakelingen die onder de veronderstelde fundamentele ondergrens van de huidige technieken zitten: vijf nanometer. Het onderzoek werd vrijdag in het wetenschappelijk tijdschrift Science gepubliceerd.

Kleiner is beter

Transistors spelen een even belangrijke als onzichtbare rol in ons leven. Ze zitten met wel honderd miljoen in je broekzak, in de elektronica van een smartphone bijvoorbeeld. De minuscule schakels kunnen een stroomkring op commando onderbreken en vormen zo een belangrijke bouwsteen in de zeer complexe elektrische netwerken van elektronica, of het nu gaat om een laptop of een digitaal horloge.

Bedrijven en wetenschappers doen er alles aan om de transistor kleiner te maken. Chips met meer transistors zijn doorgaans sneller. Die miniaturisatie is al sinds de uitvinding van de transistor in de jaren veertig gaande (zie kader Steeds meer transistors), maar wetenschappers lopen onderhand tegen een fundamentele grens aan. Met de huidige techniek, waarbij de transistors van de halfgeleider silicium zijn gemaakt, zou de schakelaar niet kleiner kunnen worden dan pakweg vijf nanometer. Wordt de transistor kleiner dan blijkt hij niet meer in staat om een stroomkring volledig te onderbreken. De transistor begint als het ware stroom te ‘lekken’.

De Amerikaanse wetenschappers maakten hun gate daarom van een koolstofnanobuis, een goed geleidende, ijzersterke en ultradunne buis gemaakt van koolstofatomen, van in totaal slechts een nanometer dik. In hun opstelling legden ze die buis onder een geleidende laag van molybdeendisulfide, een smeermiddel dat in motoren wordt gebruikt. Met een spanning op de nanobuis creëren de wetenschappers een elektrisch veld waarmee ze de stroom door het molybdeendisulfide controleren.

Schematische weergave van een transistor met een zogenoemde ‘gate’ van slechts een nanometer groot. Wanneer er een spanning op deze gate (gemaakt van een koolstofnanodraad) komt te staan zorgt deze voor een onderbreking in een stroomdraad die erboven loopt (van de source naar de drain). — Schematische weergave van een transistor met een zogenoemde ‘gate’ van slechts een nanometer groot. Wanneer er een spanning op deze gate (gemaakt van een koolstofnanodraad) komt te staan zorgt deze voor een onderbreking in een stroomdraad die erboven loopt (van de *source* naar de *drain*).
Sujay Desai/Berkeley Lab via CC1.0

Het blijkt dat naast de koolstofnanobuis ook het molybdeendisulfide geschikt is om bij deze ultrakleine afmetingen te functioneren als transistor. Het materiaal geleidt elektronen minder goed, waardoor een kleine barrière hier wél afdoende is om de stroomkring tussen de source en de drain (zie afbeelding hierboven) te onderbreken. Behalve dat molybdeendisulfide de juiste elektrische eigenschappen heeft, is het ook in plakken van slechts 0,65 nanometer te fabriceren.

Steeds meer transistors

In 1965 viel Gordon Moore iets op. De latere oprichter van chipmaker Intel was al jaren werkzaam in deze industrie en zag dat het aantal transistors op chips in de voorgaande jaren elke twaalf maanden ruwweg was verdubbeld. Hij beschreef zijn observatie in een inmiddels bekend artikel en voorspelde dat deze trend tot ten minste 1975 moest kunnen doorgaan.

Hoewel de voorspelling in 1970 iets werd bijgesteld tot een verdubbeling eens in de 24 maanden blijkt hij tot op de dag van vandaag houdbaar. Zaten er in het begin van de jaren zeventig van de vorige eeuw nog enkele duizenden transistors op een chip, tegenwoordig zijn enkele miljarden transistors standaard.

De Wet van Moore begon als een constatering maar functioneert tegenwoordig meer als een doel op zich. De chipindustrie probeert de wet bij te benen, en lijkt daar de komende jaren nog wel in te kunnen slagen.

Miljarden keren herhalen

Het werk belooft op de lange termijn nuttig te zijn in de zoektocht naar nóg kleinere transistors. Wanneer de verwachte ondergrens van de huidige technieken van ongeveer vijf nanometer in de toekomst wordt bereikt, kunnen chipfabrikanten wellicht nóg meer transistors op een chip proppen met behulp van nanobuizen.

De wetenschappers benadrukken echter dat hun werk een prototype is. ‘We hebben de kortste transistor ooit gemaakt, maar we hebben ze nog niet met miljarden tegelijk op een chip geïntegreerd’, laat hoofdonderzoeker Ali Javey van het Lawrence Berkeley National Laboratory in een persbericht weten. Maar één ding is zeker volgens de onderzoekers: “Er zit nog meer rek in de Wet van Moore.’

Bron