CINAUn transistor da record grazie alla tecnologia al grafene

PECHINO - In una recente pubblicazione su Nature, un team di scienziati della School of Integrated Circuits presso la Tsinghua University di Beijing, in Cina, ha descritto una particolare tecnica di utilizzo del grafene che ha consentito la realizzazione di un transistor con un gate dello spessore di appena un atomo, pari a 0,34 nanometri. Si tratta del più piccolo spessore di gate mai citato in una pubblicazione scientifica.

Un transistor ad “effetto di campo” è composto da tre elementi: due elettrodi, detti source e drain, ed un semiconduttore che li separa, detto gate. La dimensione del gate è una delle caratteristiche più importanti poiché da essa dipendono le dimensioni complessive di un transistor e la sua velocità di accensione e spegnimento, definita switching. Pertanto, tanto minori saranno le dimensioni del gate quanto maggiori saranno le prestazioni del transistor nonché migliori in termini di velocità di switching, di aumento della densità e di capacità di calcolo.

Il dispositivo più piccolo realizzato prima di questa ricerca era caratterizzato da un gate costituito da un singolo nanotubo di carbonio, per uno spessore di appena 1 nanometro. Per ridurlo ulteriormente, i ricercatori hanno avuto l’intuizione di utilizzare come gate il bordo di uno strato di grafene, cioè un foglio di carbonio dello spessore di un atomo, tra due ossidi isolanti: uno di biossido di silicio e uno di ossido di alluminio. Affinché il bordo del foglio di grafene potesse essere esposto in maniera utile, i ricercatori hanno praticato un’incisione lungo il bordo della struttura, fino al diossido di silicio sottostante, di fatto tagliando il foglio di grafene ed esponendo il bordo così da poterlo utilizzare come gate. Lo spessore del foglio è appunto di un atomo di carbonio, ovvero 0,34 nanometri.

Sull’intera struttura tridimensionale è stato poi stratificato prima ossido di hafnio e, in seguito, del disolfuro di molibdeno, un materiale semiconduttore, in modo tale che il bordo del grafene si trovasse in stretta prossimità con esso e potesse agire da gate per controllarne la conduttività. Infine, sui due lati del gate sono stati posizionati i due elettrodi del source e del drain, operazione facilitata dalla tridimensionalità della struttura, mostrando un ulteriore aspetto chiave di questa tecnica, ovvero che non è richiesto un posizionamento estremamente preciso degli elettrodi per il corretto funzionamento del transistor.

Per verificare le proprietà del dispositivo i ricercatori hanno usato la modellazione tridimensionale computerizzata, ma è stato comunque necessario procedere anche alla costruzione concreta di transistor con questa tecnica e configurazione. Alcuni di questi transistor sono stati impiegati per ottenere conferma visiva, tramite tecniche di imaging, della corretta collocazione dei materiali, mentre altri sono stati usati sperimentalmente per verificare il funzionamento del dispositivo. Si tratta ovviamente di una sperimentazione nella fase embrionale ma, avendone dimostrato fattibilità e funzionamento, la ricerca apre le porte a scenari nuovi e promettenti in ambito di miniaturizzazione.