Voor het eerst is het gelukt een goed werkende transistor te maken met een gate die de magische 5 nm-grens doorbreekt. 

Onderzoekers van de Amerikaanse universiteiten in Berkeley, Dallas en Stanford gebruikten molybdeendisulfide als halfgeleidermateriaal en waren in staat daarmee een gate van 1 nm (1nm=10-9m) te maken, zo publiceerden ze in het wetenschappelijke tijdschrift Science.

Die gate fungeert als de schakelaar van de transistor: staat er een spanning op die hoger is dan de drempelwaarde, dan loopt er door de transistor een stroom, is de spanning lager, dan loopt er geen stroom.

Lekstroom

Het probleem bij verdere miniaturisering van de gebruikelijke silicium transistoren is dat lekstromen een steeds grotere rol gaan spelen: ook al staat er op de gate geen of een lage spanning, er loopt toch een stroom. Dat heeft onder andere te maken met het quantummechanische effect van tunneling: elektronen kunnen daardoor een laag passeren, zelfs als deze een isolator is. De geminiaturiseerde transistor is dan in feite niet meer uit te zetten. Daarom geldt 5 nm als de – magische – grens waar beneden de silicium transistoren niet verder zijn te miniaturiseren.

Al lang werd molybdeendisulfide gezien als een halfgeleidermateriaal waarbij die verdere miniaturisering wel mogelijk is. Het voordeel ervan is dat het net als grafeen van nature een laag kan vormen van een enkele atoom dik, zonder ongerechtigheden. Het materiaal heeft bovendien een hogere effectieve elektronenmassa, wat het tunnelen van elektronen tegengaat.

Het is de onderzoekers nu gelukt om met het molybdeendisulfide een transistor te maken waarbij de lekstroom minimaal is, terwijl de gate een dikte heeft van enkele nanometers (het artikel in Science noemt zowel een gatelengte van 1 nm als 3,9 nm).

‘Een prestatie van formaat’, zo noemt de in transistors gespecialiseerde hoogleraar Jurriaan Schmitz van de Universiteit Twente het werk van de Amerikanen. ‘Ze hebben voor het eerst experimenteel aangetoond dat de lekstroom bij het gebruik van molybdeensulfide minimaal is.’

De 1nm-transistor is zeker nog niet de heilige graal

De 1nm-transistor heeft echter ook een belangrijk nadeel: de stroom in de aan-toestand is beperkt. Schmitz: ‘Dat is als de elektronen door zo’n dun laagje moeten ook wel te begrijpen, maar voor een goede werking van de transistor, en dan vooral het snel aan- en uit kunnen schakelen, is dat niet optimaal.’ De 1nm-transistor is dan ook zeker nog niet de heilige graal voor de verdere miniaturisering van transistoren.

Monnikenwerk

Daarbij komt dat het maken van deze transistor vergelijkbaar is met monnikenwerk: de onderzoekers gebruikten een koolstofnanobuisje als elektrode voor de gate, deponeerden dat met de hand op de onderlaag, en moesten vervolgens enige kunstgrepen uithalen om het molybdeenlaagje aan te brengen. Schmitz: ‘Zoals de onderzoekers zelf ook schrijven, dit staat nog heel ver af van de fabrieksmatige productie van chips. Maar vergeet niet, zo is het met de eerste transistor ook begonnen.’

Openingsfoto: schematische weergave van de 1nm-transistor, met de molybdeendisulfide-laag tussen de twee elektroden van de transistor waar de stroom doorheen gaat lopen (Source en Drain) en de nano-koolstofbuis als elektrode van de Gate die de regelspanning voert.