Hur långt kan man miniatyrisera elektronik
av Kai Nordlund Forum 2019-09, sida 31, 21.11.2019
Ännu för några år sedan blev datorer alltid dubbelt snabbare vartannat år. Denna trend gällde fram till 2005 tack vare en relativt enkel fysikalisk princip, som sade att en transistors hastighet blir snabbare då den blir mindre. Utvecklingen har sedan dess stannat av på grund av problem med upphettning, vilket jag skrev om tidigare i år i kolumnen om transistorbastueffekt (se Forum 3/2019). Men intresset för att minska på kretsarna finns fortfarande, och de blir fortfarande mindre, men nu med mer komplicerade strukturer som minskar på upphettningsproblemen. Helt vanliga transistorer i massproduktion tillverkas redan med ledande strukturer med diametrar kring 10 nanometer (en miljarddels meter), som kan jämföras med en enskild atoms diameter på 0,15 nm. Hur långt neråt från denna 10 nm kan man ännu komma?
[caption id=“attachment_9540” align=“alignright” width=“220”]
Kai Nordlund är professor i beräkningsmaterialfysik vid Helsingfors universitet.[/caption]
Löser de magiska kolnanorören problemet? I laboratorier har man redan i över ett tiotal års tid tillverkat enskilda transistorer där den ledande delen är ett kolnanorör som har diameter kring 1 nm. Varför är dessa inte nu redan i massproduktion? Orsaken är att det vanliga sättet att tillverka kolnanorörstransistorer är helt slumpmässig: man lägger nanorör på ytan där det råkar, och sedan lägger man efteråt metallkontakter på någon av dem manuellt. Detta fås alltså att fungera, men det är klart att metoden inte kan användas för att tillverka miljarder transistorer. Problemet är att kolnanorörens tillverkningsprocess är helt annorlunda än den för kiselbaserade transistorer, och att kombinera dem så att nanorören skulle tillverkas på exakt rätt ställe på transistorerna är mycket svårt. Man har kunnat få nanorör att växa från en transistordel till en annan, men då växer det i allmänhet flera rör lite okontrollerbart, så man når inte nyttan av att ha ett enda rör. Om det inte sker något stort genombrott, verkar det som om kolnanorören nog inte löser problemet.
Grafen då? Det andra ”magiska” kolnanomaterialet är enskilda atomlager i ett vackert bikupeformat, grafen. Dessa lager, med tjocklek på bara 0,3 nm, har fördelen att man kan tillverka dem också på kiselbaserade material genom att hetta upp kiselkarbid. Denna utgångspunkt är mer lovande, och transistorer baserade på idén har demonstrerats redan för ett tiotal år sedan. Då man kan starta från kisel är chanserna att tillverka ett stort antal transistorer med homogena egenskaper bättre än för kolnanorören. Men försiktig bör man vara, för ett enda atomlager är skört, och andra steg i processen kan lätt förstöra dem.
Kiselkvantpunkter? En annan möjlighet är att använda mycket små agglomerat av kisel inom ett isolerande material, kiseldioxid, för att spara en enda elektron i taget. De kan vara så små som 2 nm i diameter, och ha denna minimala storlek i alla tre dimensioner, i motsats till nanorör och grafen som har den minsta storleken i en eller två dimensioner. Vi har varit med i ett EU-projekt där sådana punkter tillverkats med en kombination av processering av kisel med små acceleratorer och en kemisk dekompositionsreaktion. Projektet visade att de faktiskt kan framställas, men processkontrollen har tillsvidare inte varit tillräckligt bra: emellanåt kom det två punkter i stället för en, och emellanåt var punkten på fel plats.
Enskilda atomer? Den slutliga teoretiska gränsen för miniatyriseringen av elektronik är att använda en enskild atom, med en diameter på bara 0,15 nm, som den funktionella delen. Frågan är hur en enda atom kan ha en funktionalitet? Det kan de faktiskt ha i vissa fall. Till exempel en enskild kväveatom bredvid en tom atomplats i diamant har en ensam elektron, vars magnetiska moment kan hållas stabilt så länge att den kan, åtminstone i princip, användas som en kvantmekaniskt operationell bit, en qubit. Principen har demonstrerats i labb, och fungerar faktiskt om atomen har råkat få just rätt plats och avstånd till omgivningen.
I alla de nämnda teknikerna är alltså reproducerbarheten och hållbarheten hos strukturerna ett problem. Men detta har initialt varit läget med alla nya tekniker som introducerats i elektronik, och alltid har de lösts så länge inte någon fysikalisk grundprincip förhindrar det. Av de tekniker som jag beskrev är vägen mycket lång speciellt till att massproducera enskilda atomer som alltid är på rätt plats. Men det finns inget principiellt hinder för varför det inte kunde göras, och teknologin på atomnivå har avancerat enormt under de gångna årtiondena.
Jag förutspår alltså att man faktiskt någon dag kommer att lyckas göra massproducerade funktionella kretsar baserade på enskilda atomer. Dock krävs det fortfarande andra strukturer för att skriva in och ut informationen från dem, och dessa måste bestå av lite mer än bara andra enskilda atomer. Att miniatyrisera hela den funktionella transistorn till bara en atom är nog inte möjligt, men min personliga gissning är att man någon dag, om tiotals år, kan få till stånd transistorer vars dimensioner är av ordningen 1 nm. Då det är fråga om tredimensionella strukturer kunde man alltså komma ner en faktor 1000 från dagens elektronik i packningstäthet.