I ricercatori ripensano il transistor a livello materiale

I transistor stanno raggiungendo i loro limiti fisici in termini di dimensioni e velocità. Man mano che i transistor vengono ridotti, la distanza tra source e drain diminuisce, determinando correnti di dispersione elevate. Inoltre, poiché le dimensioni dei transistor si avvicinano al livello atomico, è difficile controllare il flusso di corrente, il che comporta una maggiore probabilità di errori di calcolo.

Transistor più piccoli significano velocità di commutazione più lente, il che è particolarmente problematico nelle applicazioni più recenti come l’intelligenza artificiale, dove è necessario elaborare enormi set di dati. Anche l'integrazione più densa diventa una sfida a causa dei problemi di impilamento e di gestione termica.

Questo articolo discute i recenti sviluppi della ricerca che ampliano i confini delle tecnologie dei transistor esistenti e spiega come queste potrebbero surclassare i dispositivi attuali.

I transistor attuali sono ingombranti e non possono essere facilmente impilati verticalmente per ottenere un'alta densità. Per tale integrazione, i transistor devono essere realizzati con materiali 2D ultrasottili, spessi solo pochi atomi. Tuttavia, la crescita di materiali 2D su un wafer di silicio è impegnativa perché di solito richiede una temperatura di circa 600°C e i circuiti possono resistere solo fino a 400°C.

Per affrontare questi problemi, i ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT) hanno sviluppato un processo a bassa temperatura per far crescere materiali 2D su chip senza danneggiarli. Il nuovo processo riduce il tempo necessario per creare i materiali 2D e crea uno strato uniforme su tutta la superficie. Di conseguenza, il nuovo processo può essere utilizzato per superfici più grandi rispetto ai processi convenzionali.

I ricercatori del MIT si sono concentrati sul bisolfuro di molibdeno, un materiale trasparente e flessibile con proprietà elettroniche e fotoniche, per dimostrare e validare il loro nuovo processo. Il loro processo avviene in un forno con due camere: una zona a bassa temperatura nella parte anteriore e una zona ad alta temperatura nella parte posteriore. La cialda viene posta davanti in modo che rimanga intatta. I precursori vaporizzati di molibdeno e zolfo vengono pompati nel forno. Il molibdeno rimane nella parte anteriore e il precursore dello zolfo scorre nella regione ad alta temperatura per decomporsi. Dopo la decomposizione ritorna nella camera a bassa temperatura, dove cresce il bisolfuro di molibdeno.

I ricercatori hanno posizionato il wafer verticalmente nella camera anteriore in modo che nessuno dei due bordi fosse troppo vicino alla regione ad alta temperatura. Hanno inoltre depositato un sottile strato di materiale passivante sulla parte superiore del chip per prevenire la solforazione di metalli come alluminio e rame, comunemente utilizzati nei circuiti in silicio per collegare un pacchetto o un supporto. Lo strato di passivazione viene successivamente rimosso per effettuare le connessioni. I ricercatori intendono perfezionare la loro tecnica ed esplorare l’applicazione di questo processo per superfici flessibili come polimeri, tessuti e carta.

I ricercatori del Forschungszentrum Jülich hanno esplorato materiali con proprietà elettroniche più favorevoli rispetto al silicio per circuiti con prestazioni migliori. Recentemente hanno fabbricato una lega di germanio-stagno che presenta molti vantaggi rispetto ai tradizionali transistor al silicio.

Il germanio mostra una mobilità elettronica maggiore rispetto al silicio. I ricercatori hanno aggiunto atomi di stagno nel reticolo del germanio per ottimizzare ulteriormente le proprietà elettroniche del materiale. La mobilità degli elettroni della nuova lega è 2,5 volte superiore a quella dei transistor al germanio puro ed è compatibile con l'attuale processo di fabbricazione CMOS.

I nuovi transistor funzionano a temperature fino a 12 Kelvin: un miglioramento importante rispetto ai transistor esistenti che necessitano di alta tensione per commutare a temperature inferiori a 50 Kelvin, consumando più energia. Gli scienziati sostengono che con ulteriori miglioramenti, la loro lega potrebbe persino consentire ai transistor di funzionare a temperature inferiori a 12 Kelvin. Il team ritiene che la loro tecnologia sia un candidato promettente per i chip di prossima generazione, a basso consumo e ad alte prestazioni e forse per il futuro dei computer quantistici.

I ricercatori dell'Università di Linköping e del KTH Royal Institute of Technology hanno creato un transistor con il legno. Per questa applicazione hanno utilizzato il legno di balsa, un legno senza grana e dalla struttura uniforme. Hanno rimosso la lignina, lasciando solo le fibre di cellulosa con canali, che sono stati poi riempiti con un polimero conduttivo chiamato PEDOT:PSS.