værd at vide

Værd at vide: Sådan kan man kan skrumpe transistorer til nanometerskala

Felteffekttransistorer findes i dag i forskellige mere eller mindre komplicerede udgaver. Men krystalstrukturen i det indre har også stor betydning Illustration: Samsung

For mere end et halvt århundrede siden beskrev Gordon Moore, at antallet af transistorer på en chip forventeligt ville blive fordoblet hvert andet år. Denne forudsigelse viste sig at være forbavsende rigtig, og den har været hele forudsætningen for alle de former for elektronik til privat og professionelt brug, vi kender og benytter i dag. Inden for de senere år har vi og og mange andre medier dog jævnligt skrevet, at Moores lov er tæt på nå sine ende. For de mindre og mindre transistorer nærmer sig med hast en størrelse, hvor atomare effekter simpelthen vil ødelægge deres virkemåde. Med smarte design og varianter af den klassiske felteffekttransistor har industrien dog kunnet presse Moores lov langt udover det, mange formodede var muligt for omkring 10 år siden. Med brug af andre materialer end silicium, som ellers har tjent halvlederindustrien så godt, er det også muligt at gøre transistorer mindre. Silicium har dog så mange fordele, at det er interessant at se, hvor små dimensioner man kan opnå i det indre af felteffekttransistorer (FET) opbygget af dette materiale, som er halvlederindustriens klart foretrukne.

En FET fungerer i al væsentlighed som en kontakt, man hurtigt kan tænde og slukke. Det sker ved at kontrollere spændingen en såkaldt gate, der forbinder transistorens to ender, som kaldes henholdsvis source og drain. Det kan opnås i en komponent, som består af henholdsvis et halvledermateriale - silicium (Si) - og et elektrisk isolerende materiale, som sædvanligvis er siliciumdioxid (SiO2).

I en transistor skyldes strømmen ladningsbærerne, der enten kan være elektroner eller huller. Sidstnævnte er en form for kvasipartikler, der blot udtrykker, at der mangler en elektron et eller andet sted i krystalstrukturen. Disse manglende elektroner eller huller kan bevæge sig gennem krystallen som om, de er partikler med en positiv ladning og en effektiv masse. I en krystalstruktur, hvor der visse steder er en elektron for meget, kan denne også bevæge sig gennem krystallen med en effektiv masse, der er forskellig for den virkelige masse af en elektron. Alt dette er velkendt halvlederfysik. En lille effektiv masse giver en høj mobilitet for ladningsbærerne, når transistoren er tændt - det er godt. Omvendt hjælper en høj effektiv masse til at undertrykke lækstrømme, når transistoren er slukket. Man skal altså opveje det ene over for det andet.

Miller indeks for krystalflader Illustration: wikipedia

Man kan ændre på forholdene ved at skære siliciumkrystallen, som man sætter sammen med SiO2, på en bestemt måde. For n-type Si-halvledere, hvor elektroner er majoriteten af ladningsbærerne, bruger man i dag Si(100), hvor (100) er det såkaldte Miller indeks for gitterflader i en krystal.. I p-type Si-halvledere, hvor huller er majoriteten af ladningsbærerne, bruger man i dag Si(110). Figuren forklarer disse index.

Forskellige kombinationer af Si/SiO2. Siliciumatomer er vist med gul, oxygenatomer med rødt. Illustration: Ye-Fei Li

Forskere fra Fudan University i Shanghaí, Kina har nu med en maskinlæringsalgoritme undersøgt 2497 forskellige simulerede strukturer af Si og SiO2 for at finde de, som kan udnyttes i de allermindste transistorer. Metoden, som de har beskrevet i en artikel i Physical Review Letters har bekræftet, hvorfor henholdsvis Si(100) og Si(110) er velegnende, da de har lave effektive masser for henholdsvis elektroner og huller. Men metoden kan også anvise, at krystaller med højere Miller indeks, som endnu ikke anvendes i praksis, kan være interessante. Ud af de 2497 undersøgte kombinationer af Si og SiO2 fandt forskerne 10, som var interessante for anvendelse til transistorer. Særligt Si(210) og Si(211) var velegnede i følgende kombinationer Si(210)/SiO2(102) og Si(211)/SiO2(112). Disse kan udnyttes i transistorer med dimensioner ned til en nanometer. Hvad så med andre halvledermaterialer som SiC og GaN, som er velegnede til effektelektronik, kan man spørge? Forskerne skriver, at deres metode også kan bruges til undersøge sådanne materialer. Svaret venter vi stadig på.

Konklusionen er altså, at skal man presse Moores lov yderligere, så gælder det i høj grad om, hvordan man sætter krystaller af silicium og siliciumdioxid sammen på den helt rigtige måde.