Per decenni, i transistor sui nostri microchip sono diventati più piccoli, più veloci ed economici. Circa ogni due anni il numero di transistor su chip commerciali è raddoppiato: questo fenomeno è diventato noto come “Legge di Moore”. Ma ormai da diversi anni, la legge di Moore non regge più. La miniaturizzazione ha raggiunto un limite naturale; poiché sorgono problemi completamente nuovi quando ci si avvicina ad una scala di lunghezze di pochi nanometri.
Ora, tuttavia, il prossimo grande passo di miniaturizzazione potrebbe presto diventare possibile – con i cosiddetti “materiali bidimensionali (2-D)” che possono consistere in un solo strato atomico. Con l’aiuto di un nuovo isolante a base di fluoruro di calcio, gli scienziati dell’Università Tecnica di Vienna (TU Wien), in Austria, hanno creato un transistor ultrasottile, che ha eccellenti proprietà elettriche e contrariamente alle tecnologie precedenti, può essere miniaturizzato a dimensioni estremamente ridotte.
La nuova tecnologia è stata recentemente presentata sulla rivista Nature Electronics. La ricerca sui materiali semiconduttori necessari per fabbricare transistor ha registrato progressi significativi negli ultimi anni. Oggi, i semiconduttori ultrasottili possono essere realizzati con materiali 2D, costituiti da pochi strati atomici. “Ma questo non è sufficiente per costruire un transistor estremamente piccolo”, afferma il professor Tibor Grasser dell’Istituto di microelettronica della Università Tecnica di Vienna. “Oltre al semiconduttore ultrasottile, abbiamo anche bisogno di un isolante ultrasottile.”
Ciò è dovuto alla struttura di progettazione fondamentale di un transistor: la corrente può fluire da un lato all’altro del transistor, ma solo se al centro viene applicata una tensione, creando un campo elettrico. L’elettrodo che fornisce questo campo deve essere isolato elettricamente dal semiconduttore stesso. “Esistono già esperimenti con transistor con semiconduttori ultrasottili, ma fino ad ora sono stati accoppiati con isolanti ordinari”, afferma Tibor Grasser. “Non c’è molto vantaggio nel ridurre lo spessore del semiconduttore quando deve ancora essere combinato con uno spesso strato di materiale isolante. Non c’è modo di miniaturizzare ulteriormente un tale transistor. Inoltre, su scale di lunghezza molto ridotte, la superficie dell’isolante si è rivelato disturbare le proprietà elettroniche del semiconduttore”.
Pertanto, Yury Illarionov, postdoc nella squadra di Tibor Grasser, ha provato un nuovo approccio. Ha usato materiali 2D ultra sottili non solo per la parte a semiconduttore del transistor, ma anche per la parte isolante. Selezionando materiali isolanti ultrasottili come i cristalli ionici, è possibile costruire un transistor con una dimensione di pochi nanometri. Le proprietà elettroniche in tal caso vengono nettamente migliorate, poiché i cristalli ionici possono avere una superficie perfettamente regolare, senza un singolo atomo che sporge dalla superficie (il che potrebbe disturbare il campo elettrico). “I materiali convenzionali hanno legami covalenti nella terza dimensione: atomi che si accoppiano ai materiali vicini sopra e sotto”, spiega Tibor Grasser. “Questo non è il caso dei materiali 2D e dei cristalli ionici e quindi non interferiscono con le proprietà elettriche del semiconduttore.”
Per produrre il nuovo transistor ultrasottile, è stato scelto il fluoruro di calcio come materiale isolante. Lo strato di fluoruro di calcio è stato prodotto presso l’Istituto Ioffe di San Pietroburgo. Il transistor stesso è stato quindi prodotto dal team del Prof. Thomas Müller, presso l’Istituto di fotonica della Università Tecnica di Vienna e analizzato presso l’Istituto di microelettronica.
Il primissimo prototipo ha già superato tutte le aspettative: “Per anni abbiamo ricevuto numerosi transistor diversi per indagare sulle loro proprietà tecniche, ma non abbiamo mai visto nulla di simile al nostro transistor con l’isolante al fluoruro di calcio”, afferma Tibor Grasser. “Il prototipo, con le sue proprietà elettriche superiori, supera tutti i modelli precedenti.”
Ora il team vuole scoprire quali combinazioni di isolanti e semiconduttori funzionano meglio. Potrebbero essere necessari alcuni anni prima che la tecnologia possa essere utilizzata per chip di computer disponibili in commercio, poiché i processi di produzione per gli strati di materiale devono ancora essere migliorati. “In generale, tuttavia, non vi è dubbio che i transistor realizzati con materiali 2D siano un’opzione molto interessante per il futuro”, afferma Tibor Grasser. “Da un punto di vista scientifico, è chiaro che i fluoruri che abbiamo appena testato sono attualmente la migliore soluzione per il problema degli isolanti. Ora, rimangono solo alcune domande tecniche a cui rispondere”.
Questo nuovo tipo di transistor più piccolo e più veloce dovrebbe consentire all’industria dei computer di compiere il prossimo grande passo. In questo modo, la legge di Moore sull’aumento esponenziale della potenza dei computer potrebbe presto, prendere di nuovo vita.