Isolator yang sesuai masih hilang
Spotlight

Isolator yang sesuai masih hilang


Elektron lolos melalui tiga lapisan hBN. Insets: Theresia Knobloch dan Tibor Grasser © Jean M. Favre, CSCS

Selama beberapa dekade, telah ada tren dalam mikroelektronika menuju transistor yang lebih kecil dan lebih kompak. Materi 2D seperti graphene dilihat sebagai mercusuar harapan di sini: mereka adalah lapisan material tertipis yang mungkin ada, hanya terdiri dari satu atau beberapa lapisan atom. Namun, mereka dapat menghantarkan arus listrik — teknologi silikon konvensional, sebaliknya, tidak lagi berfungsi dengan baik jika lapisannya menjadi terlalu tipis.

Namun, bahan semacam itu tidak digunakan dalam ruang hampa; mereka harus dikombinasikan dengan isolator yang sesuai — untuk menutupnya dari pengaruh lingkungan yang tidak diinginkan, dan juga untuk mengontrol aliran arus melalui apa yang disebut efek medan. Sampai sekarang, boron nitrida heksagonal (hBN) telah sering digunakan untuk tujuan ini karena membentuk lingkungan yang sangat baik untuk material 2D. Namun, studi yang dilakukan oleh TU Wien, bekerja sama dengan ETH Zurich, Institut Ioffe Rusia dan peneliti dari Arab Saudi dan Jepang, sekarang menunjukkan bahwa, bertentangan dengan asumsi sebelumnya, lapisan hBN tipis tidak cocok sebagai isolator untuk transistor efek medan miniatur masa depan. , karena arus bocor yang sangat tinggi terjadi. Jadi jika material 2D benar-benar merevolusi industri semikonduktor, seseorang harus mulai mencari material isolator lainnya. Penelitian tersebut kini telah dipublikasikan di jurnal ilmiah Nature Electronics.

Bahan isolator yang seharusnya sempurna

“Sekilas, boron nitrida heksagonal lebih cocok dengan graphene dan material dua dimensi daripada isolator lainnya,” kata Theresia Knobloch, penulis pertama studi tersebut, yang saat ini sedang mengerjakan disertasinya di tim Tibor Grasser di Institute of Microelectronics di TU Wien. “Sama seperti bahan semikonduktor 2D, hBN terdiri dari lapisan atom individu yang hanya terikat lemah satu sama lain.”

Hasilnya, hBN dapat dengan mudah digunakan untuk membuat permukaan yang halus secara atomik yang tidak mengganggu pengangkutan elektron melalui material 2D. “Oleh karena itu, Anda mungkin berpikir bahwa hBN adalah bahan yang sempurna — baik sebagai substrat untuk menempatkan semikonduktor film tipis dan juga sebagai penyekat gerbang yang diperlukan untuk membangun transistor efek medan,” kata Tibor Grasser.

Arus bocor kecil dengan efek besar

Transistor dapat dibandingkan dengan keran air — hanya sebagai pengganti aliran air, arus listrik dihidupkan dan dimatikan. Seperti halnya keran air, sangat penting bagi transistor agar tidak ada yang bocor dari katup itu sendiri.

Inilah tepatnya yang menjadi tanggung jawab isolator gerbang dalam transistor: Isolator ini mengisolasi elektroda pengontrol, yang dengannya aliran arus dinyalakan dan dimatikan, dari saluran semikonduktor itu sendiri, yang melaluinya arus kemudian mengalir. Mikroprosesor modern mengandung sekitar 50 miliar transistor — sehingga kehilangan arus kecil di gerbang dapat memainkan peran yang sangat besar, karena secara signifikan meningkatkan konsumsi energi total.

Dalam studi ini, tim peneliti menginvestigasi arus bocor yang mengalir melalui lapisan tipis hBN, baik secara eksperimental maupun menggunakan perhitungan teoritis. Mereka menemukan bahwa beberapa sifat yang membuat hBN menjadi substrat yang sesuai juga secara signifikan meningkatkan arus bocor melalui hBN. Boron nitrida memiliki konstanta dielektrik kecil, yang berarti bahwa material tersebut hanya berinteraksi secara lemah dengan medan listrik. Akibatnya, lapisan hBN yang digunakan dalam transistor miniatur harus hanya setebal beberapa lapisan atom sehingga medan listrik gerbang dapat mengontrol saluran secara memadai. Namun, pada saat yang sama, arus bocor menjadi terlalu besar dalam hal ini, karena arus tersebut meningkat secara eksponensial saat mengurangi ketebalan lapisan.

Pencarian isolator

“Hasil kami menunjukkan bahwa hBN tidak cocok sebagai isolator gerbang untuk transistor miniatur berdasarkan material 2D,” kata Tibor Grasser. “Penemuan ini merupakan panduan penting untuk studi masa depan, tetapi ini hanyalah awal dari pencarian isolator yang cocok untuk transistor terkecil. Saat ini, tidak ada sistem material yang dapat memenuhi semua persyaratan, tetapi ini hanya masalah waktu dan sumber daya. sampai sistem material yang cocok ditemukan. “

“Masalahnya rumit, tetapi ini membuat semakin penting bahwa banyak ilmuwan mengabdikan diri untuk mencari solusi, karena masyarakat kita akan membutuhkan chip komputer yang kecil, cepat dan, yang terpenting, di masa depan yang hemat energi,” Theresia Knobloch yakin.


Material baru untuk chip komputer ekstra tipis


Informasi lebih lanjut:
Theresia Knobloch dkk. Batas kinerja boron nitrida heksagonal sebagai isolator untuk perangkat CMOS berskala berdasarkan bahan dua dimensi, Nature Electronics (2021). DOI: 10.1038 / s41928-020-00529-x

Disediakan oleh Universitas Teknologi Wina

Kutipan: Microchip masa depan: Insulator yang sesuai masih hilang (2021, 9 Maret) diambil 9 Maret 2021 dari https://techxplore.com/news/2021-03-microchips-future-suitable-insulators.html

Dokumen ini memiliki hak cipta. Selain dari transaksi yang adil untuk tujuan studi atau penelitian pribadi, tidak ada bagian yang boleh direproduksi tanpa izin tertulis. Konten tersebut disediakan untuk tujuan informasi saja.


Halaman Ini Di Persembahkan Oleh : Pengeluaran SGP Hari Ini