研究者がトランジスタを材料レベルで再考する

トランジスタは、サイズと速度において物理的な限界に達しつつあります。 トランジスタが小型化されると、ソースとドレイン間の距離が減少し、漏れ電流が増加します。 また、トランジスタのサイズが原子レベルに近づくと、電流の流れを制御することが難しくなり、計算エラーが発生する可能性が高くなります。

トランジスタが小さくなるとスイッチング速度が遅くなり、大量のデータセットを処理する必要がある人工知能などの新しいアプリケーションでは特に問題になります。 スタッキングと熱管理の問題により、高密度の統合も課題となります。

この記事では、既存のトランジスタ技術の限界を押し上げる最近の研究開発と、それらの技術が現在のデバイスをどのように上回る可能性があるかについて説明します。

現在のトランジスタはかさばるため、垂直方向に積層して高密度にすることは容易ではありません。 このような統合を実現するには、トランジスタは原子数個の厚さの極薄 2D 材料で作られていなければなりません。 ただし、シリコン ウェーハ上に 2D 材料を成長させるのは、通常約 600°C の温度が必要であり、回路は最大 400°C までしか耐えられないため、困難です。

これらの問題に取り組むために、マサチューセッツ工科大学 (MIT) の研究者は、2D 材料を損傷することなくオンチップで成長させる低温プロセスを開発しました。 新しいプロセスにより、2D マテリアルの作成にかかる時間が短縮され、表面積全体に均一な層が作成されます。 その結果、新しいプロセスは従来のプロセスよりも広い表面に使用できるようになります。

MIT の研究者らは、新しいプロセスを実証および検証するために、電子特性と光子特性を備えた透明で柔軟な材料である二硫化モリブデンに焦点を当てました。 このプロセスは、前部の低温領域と後部の高温領域の 2 つのチャンバーを備えたオーブン内に配置されます。 ウェーハはそのままの状態で前に置かれます。 気化したモリブデンと硫黄前駆体がポンプで炉に送られます。 モリブデンが前面に留まり、高温域では硫黄前駆体が流れて分解します。 分解後は低温室に戻り、二硫化モリブデンが成長します。

研究者らは、どちらの端も高温領域に近づきすぎないように、ウエハを前室に垂直に配置した。 また、パッケージやキャリアを接続するためのシリコン回路で一般的に使用されるアルミニウムや銅などの金属の硫化を防ぐために、チップの上にパッシベーション材料の薄い層を堆積しました。 パッシベーション層は後で接続を行うために除去されます。 研究者らは技術を微調整し、このプロセスをポリマー、繊維、紙などの柔軟な表面に応用することを検討している。

Forschungszentrum Jülich の研究者らは、より優れた回路性能を実現するために、シリコンよりも有利な電子特性を備えた材料を研究してきました。 彼らは最近、従来のシリコントランジスタに比べて多くの利点があるゲルマニウムとスズの合金を製造しました。

ゲルマニウムはシリコンよりも高い電子移動度を示します。 研究者らは、材料の電子特性をさらに最適化するために、ゲルマニウム格子にスズ原子を追加しました。 新しい合金の電子移動度は純粋なゲルマニウム トランジスタより 2.5 倍高く、現在の CMOS 製造プロセスと互換性があります。

新しいトランジスタは、12 ケルビンまでの温度で動作します。これは、50 ケルビン未満の温度でスイッチングするには高電圧が必要で、より多くの電力を消費する既存のトランジスタに対する重要な改善です。 科学者らは、合金をさらに改良すれば、12ケルビン未満の温度でもトランジスタを動作させることができる可能性があると主張している。 研究チームは、彼らのテクノロジーが次世代の低消費電力、高性能チップ、そしておそらくは量子コンピューターの将来の有望な候補であると信じています。

リンシェーピング大学とKTH王立工科大学の研究者は、木材を使ってトランジスタを作成した。 彼らはこの用途に、木目がなく均一な構造の木材であるバルサ材を使用しました。 彼らはリグニンを除去し、チャネルのあるセルロース繊維だけを残し、その後、PEDOT:PSSと呼ばれる導電性ポリマーで充填しました。

研究チームは、デバイスが電流を調整し、選択された出力レベルで連続動作できることを発見しました。 ただし、切り替え時間が非常に長かったです。 電源を切るのに約1秒、電源を入れるのに5秒ほどかかりました。

研究者らによると、これらの有機トランジスタは大電流に耐えられるため、大電力用途に使用できるという。 研究チームはこのデバイスを特定の用途向けに作成したわけではないが、彼らの研究が将来の有機エレクトロニクスへの道を切り開くことを期待している。