Science, 15 Sep 95, Vol. 269, pg. 1560 - A. Dodabalapur- Il silicio è il materiale principe per i circuiti integrati, ma il suo costo è elevato; molte ricerche sono ora rivolte alla realizzazione di materiali organici a base di polimeri con proprietà di semiconduttori. Questi materiali, economici e flessibili, potranno essere largamente usati per le “smart cards” ed altri dispositivi elettronici. I ricercatori della AT&T annunziano ora di aver realizzato un transistore su materiale organico. Si tratta di una struttura organica con due sostanze attive che consentono insieme il funzionamento come n-channel e p-channel nello stesso dispositivo e permettono di applicare la tecnica di eterojunction.
Science, 7 Jun 96, Vol. 272, pg. 1462 - L. Torsi - Field-Effect Transistors basati su film di materiali organici di facile processo sono considerati promettenti e di larga applicazione specie nelle smart cards e nei display flessibili. Il materiale attualmente scelto si chiama alfa-sexithiophene (alfa-6T) e le predizioni teoriche fanno sperare in ulteriori miglioramenti.
Science, 28 Mar 97, Vol. 275, pg. 1896 - Leo Kouwenhoven - La chimica e la fisica dei materiali solidi sta convergendo nello sviluppo di dispositivi della lunghezza dei nanometri. Uno di questi dispositivi è un transistor formato da una singola molecola che raggiunge il limite della miniaturizzazione. A questi livelli anche il principio di funzionamento diviene fondamentalmente diverso, come fece osservare Feynman in una sua celebre lezione. Infatti le caratteristiche di un transistor a singola molecola sono completamente governate dalle leggi della meccanica quantistica. Dal punto di vista realizzativo è promettente la tecnica dei nanotubi di carbonio il cui comportamento elettrico dipende dalla forma meccanica e si può immaginare di realizzare uno specifico circuito allungando e piegando una coppia di nanotubi in punti opportuni.
Science, 23 Jan 98, Vol. 279, pg. 485 - Alexander Hellemans - Da più di 10 anni i ricercatori hanno abbandonato la speranza di realizzare dei circuiti superconduttori basati sulla giunzione Josephson, ora ricercatori olandesi hanno trovato un nuovo dispositivo che riapre la prospettiva. Mentre la giunzione Josephson è formata da due strati di superconduttore con interposto uno strato isolante, nel nuovo dispositivo lo strato isolante è sostituito da un sottile strato di oro spesso 0,1 micrometro; mentre l’isolante, quando veniva applicata una tensione, permetteva il passaggio di corrente per effetto tunnel, nel nuovo dispositivo lo strato d’oro per il suo spessore si comporta come un muro quantistico dove gli elettroni possono stare solo a certi livelli di energia. La corrente fra i due superconduttori (niobio) viene modulata fino ad interrompersi se si fa passare una corrente lungo lo strato d’oro. La velocità di commutazione è di 10 picosecondi, inferiore a quella dei migliori dispositivi disponibili, ma come amplificatore ha il vantaggio del basso rumore e potrebbe essere utilizzato come rivelatore di infrarossi nei telescopi astronomici.
Science, 22 May 98, Vol. 280, pg. 1193 - Robert F. Service - Ricercatori svedesi e USA hanno sviluppato una nuova architettura di Single Electron Transistor (SET) che include un amplificatore capace di rivelare un passaggio di elettroni estremamente più rapido di quanto possibile fino ad ora. Per ottenere ciò viene posto un filo percorso da corrente vicino al canale del SET. Gli elettroni che fluiscono nel filo creano delle tensioni che agiscono come segnale sul gate ma, per aumentare la velocità di risposta, è stato inserito un amplificatore risonante a frequenza di microonde che commuta il SET on ed off a questa frequenza fino a 150 MHz; si misura così in tempo reale il flusso dei singoli elettroni nel filo.
Science, 9 Apr 99, Vol. 284, pg. 235 - Alexander Hellemans - In una recente riunione a Berlino della Acoustical Society of America sono stati illustrati i progressi nella realizzazione di microfoni con membrane vibranti su chip di silicio. Questi microfoni non hanno una sensibilità pari a quella dei microfoni convenzionali, ma sono certo più robusti ed economici. La membrana di silicio ha le dimensioni di 1 mm di lato e lo spessore di un micrometro; vibrando la membrana varia una capacità e crea un segnale elettrico in un circuito. La membrana viene realizzata depositandola sopra uno strato che viene poi portato via chimicamente lasciando la membrana sospesa. Altro modo è di depositare uno strato piezoelettrico o piezoresistivo che diventa l’elemento sensibile alla pressione acustica. Un’altra soluzione trasforma la vibrazione in un segnale ottico deformando una guida ottica o variando il segnale riflesso da una sorgente laser; i segnali ottici sono preferibili perché non interferiscono con i campi magnetici. Questo tipo di microfono non ha una risposta superiore a 10 kHz e non può essere usato per l’alta fedeltà, ma la sua risposta scende ben al di sotto di 20 Hz ed è applicabile in sismologia.
Science, 21 Jan 2000, Vol. 287, pg. 415 - Robert F. Service - Da quando, a metà degli anni ‘80, sono stati scoperti i polimeri capaci di condurre la corrente elettrica, si è cercata la strada di realizzare un’elettronica “consumer” a costo molto basso, ma fino a questo momento si è combattuto contro la bassa velocità di questi dispositivi. Mentre i cristalli di silicio hanno una velocità delle cariche di 1000 centimetri quadri su volt secondo (cmq/Vs), i primi polimeri semiconduttori avevano una velocità di 10E-5 cmq/Vs. Da allora si sono fatti progressi trovando prima un polimero detto polythiophene con una velocità di 0,1 cmq/Vs ed un altro detto pentacene con velocità di 2 cmq/Vs, ma anche questi materiali sono lontani dall’essere perfetti, il polythiophene viene contaminato dall’ossigeno dell’aria e quindi i dispositivi devono essere incapsulati ed il pentacene è anche più costoso. Il valore limite teorico per la velocità delle cariche nei materiali organici sembra essere di 3 cmq/Vs e quindi gli sforzi sono concentrati nel trovare altri materiali, ibridi (organici-inorganici) o inorganici e processi costruttivi più semplici. Attualmente in queste ricerche sono impegnati la Bell Lab, l’IBM e lo MIT.
Science, 7 Sep 2001, Vol. 293, pg. 1746 - Robert F. Service - I ricercatori hanno già utilizzato composti organici per realizzare display e circuiti flessibili, ora viene annunziata anche la realizzazione di una memoria con materiali organici. Il nuovo dispositivo funziona come una memoria flash che mantiene i suoi dati anche dopo tolta l’alimentazione, cosa fino ad ora possibile con tecniche al silicio relativamente costose. Una versione organica è potenzialmente più economica perché più semplice da produrre. Fino ad ora non si era riusciti ad ottenere un materiale organico capace di assumere due stati stabili. La scorsa settimana il chimico Yang Yang dell’Università di California Los Angeles (UCLA) ha annunziato la scoperta; il dispositivo è costituito da un sandwich formato da un sottile strato metallico fra due strati di un composto organico conduttore. Applicando una tensione di 3 volt al sandwitch il materiale organico diventa più conduttore e mantiene questa proprietà anche dopo tolta la tensione. Per leggere basta applicare la tensione di 1 volt ed il materiale rivela lo stato 1. Applicando una tensione di -0,5 volt il materiale torna al suo stato di bassa conducibilità, 0, che si può leggere con la solita tensione di 1 volt. Non è ancora chiaro come si producano questi cambiamenti di conducibilità; si è dimostrato che dopo un milione di commutazioni non si hanno segni di degradazione. Una flash memory rapida ed economica renderebbe i computer ad accensione immediata senza la necessità di caricare i programmi nella memoria di lavoro.
Science, 6 Feb 2004, Vol. 303, pg. 777 - Arun Majumdar - Fra gli impieghi dei semiconduttori c’è anche quello per la refrigerazione. Negli anni ’90 si è scoperto che i semiconduttori potevano funzionare efficientemente come pompe di calore. Tuttavia, a parte alcune specifiche applicazioni, l’aspettativa di realizzare refrigeratori di impiego domestico o generatori di potenza termoelettrica senza parti in movimento, è andata delusa. Ora è stato pubblicato uno studio su una tecnica sperimentale per sintetizzare una nuova classe di materiali che possa migliorare l’efficienza termoelettrica. I materiali termoelettrici sono classificati con una cifra di merito ZT = S^2*(sigma)*T/k dove S è il coefficiente di Seebeck della termocoppia, (sigma) la conduttività elettrica, k la conduttività termica e T la temperatura assoluta. Per essere competitivo con i refrigeratori ed i generatori convenzionali il materiale termoelettrico deve avere una ZT > 3. In 50 anni la ZT a temperatura ambiente è passata da 0,6 a 1,0 e la difficoltà sta nel fatto che S, (sigma) e k sono interdipendenti e cambiandone uno si influenza l’altro rendendo l’ottimizzazione estremamente difficile. Il solo modo di ridurre k senza influenzare gli altri parametri è di usare semiconduttori di alto peso atomico come Bi2Te3 e le sue leghe con Sb, Sn e Pb. Un peso atomico alto riduce la velocità del suono nel materiale e diminuisce di conseguenza la sua conducibilità termica k senza alterare (sigma). Anche se in via di principio è possibile un materiale semiconduttore con ZT > 3 non ci sono attualmente materiali candidati. Uno studio sperimentale ha mostrato che il composto AgPb(m)SbTe(2+m) ha ZT = 2 a 800 kelvin per m=18 e potrebbe essere adatto come generatore di potenza. Si è scoperto che la struttura di questo materiale contiene regioni di 2-4 nm di spessore ricche di Ag-Sb inserite in una matrice che manca di Ag e Sb. Ci può essere un confinamento quantistico che forse ha un ruolo nell’aumentare ZT. Il confinamento quantistico aumenta la mobilità elettronica che porta ad un alto valore di (sigma), ma è necessario anche capire come cambia nei semiconduttori il trasporto termico e la dinamica dei fononi.
Science, 9 Sep 2005, Vol. 309, pg. 1688 - D. A. Allwood - La microelettronica convenzionale che usa i circuiti integrati (IC) controlla il flusso di elettroni con circuiti di commutazione a transistor e quindi con l’assenza o la presenza di cariche elettriche, ma gli elettroni oltre a possedere una carica hanno anche una proprietà quantomeccanica detta spin che si presenta con due direzioni opposte, su e giù, e potrebbe così rappresentare l’unità binaria come negli elementi magnetici usati nelle memorie. Nell’ultimo decennio i ricercatori hanno sviluppato la nuova tecnologia spintronics che usa nella microelettronica spin e carica dell’elettrone. Questa nuova tecnica promette una nuova generazione di data processing a bassa potenza, alta velocità e non volatile. Lo sviluppo della tecnologia spintronics ha seguito due strade. La prima sfrutta elettroni polarizzati con il loro spin su e giù manipolandoli in un semiconduttore, ma poiché non ci sono attualmente semiconduttori ferromagnetici a temperatura ambiente, ci si è limitati a studiare dispositivi funzionali. La seconda strada sfrutta materiali metallici ferromagnetici a multistrati non magnetici che possiedono alta magnetoresistenza, come nickel, ferro e cobalto che permettono di realizzare dispositivi a temperatura ambiente. L’informazione è portata dalla direzione di magnetizzazione in un piccolo elemento ferromagnetico che forma una giunzione tunnel magnetica (magnetic tunnel junction o MTJ) e questo diventa l’elemento di una magnetic random-access memory (MRAM) che è non volatile, ad alta densità ed alta velocità. La microelettronica è una combinazione di memoria e logica. Le funzioni logiche booleane di AND, NOT e XOR permettono di combinare numeri da una memoria. Fra gli schemi di logica basata sulle MTJ si è sviluppata un’architettura detta domain-wall logic che non usa transistor e produce un riscaldamento molto basso nella commutazione dei dati. Un domain-wall è un’interfaccia mobile fra regioni di opposti allineamenti magnetici. In particolare una pista submicrometrica planare fatta di un materiale magnetico dolce come il permalloy (80%Ni e 20%Fe) costituisce un eccellente conduttore per i domain-wall. La magnetizzazione si allinea secondo l’asse della pista e le due possibili direzioni sono le basi dell’informazione binaria. Il domain-wall si propaga attraverso una complessa rete di piste sotto l’azione di un campo magnetico applicato dall’esterno. Il campo ruota sul piano del dispositivo in senso antiorario e fornisce sia il clock che l’alimentazione. Si è dimostrato che una cuspide planare può essere usata come invertitore del piano di polarizzazione e quindi costituisce un operatore NOT. La funzione AND è ottenuta semplicemente facendo convergere due piste in una con opportuno raccordo; la funzione OR è ottenuta combinando NOT ed AND e la divisione di un segnale in due (Fan-out) inverte la geometria della funzione AND. L’incrocio fra due piste, che nei circuiti CMOS richiede un ponte tridimensionale, per i domain-wall è un semplice incrocio a 90° sullo stesso piano perché le due piste non interferiscono. Si è dimostrato il funzionamento di diversi circuiti con un campo magnetico che ruota a 27 Hz e l’aspetto interessate è la grande semplicità anche per il fatto che clock ed alimentazione sono applicati dall’esterno senza problemi di accesso in strutture tridimensionali. L’energia dissipata in ogni elemento logico di domain-wall è minore di 2MsHaV dove Ms è la magnetizzazione di saturazione del materiale magnetico, Ha l’ampiezza del campo magnetico e V il volume del materiale magnetico interessato.
Science, 2 Mar 2007, Vol. 315, pg. 1226 - J. B. Pendry - Vi sono somiglianze tra ottica ed elettronica. Nel mondo dell’ottica i ricercatori hanno studiato la rifrazione negativa che permette la realizzazione di lenti ottiche perfette focalizzando i fasci di luce con perfetta definizione (lente di Veselago). Ora i fisici dei materiali solidi hanno scoperto le proprietà inconsuete del grafene, un materiale formato da un solo strato di atomi di carbonio che si comporta per gli elettroni come un materiale a indice di rifrazione negativo e premete di focalizzare gli elettroni con alta precisione. Nella grafite gli atomi di carbonio sono disposti a formare degli esagoni planari con forti legami fra gli atomi complanari, mentre sono deboli i legami fra piani sovrapposti e ciò spiega perché la grafite è un buon lubrificante. Si possono isolare strati singoli di grafite e con essi si possono fare interessanti esperimenti. Per comprendere il comportamento degli elettroni nei solidi si deve fare riferimento al livello di Fermi, il confine fra le orbite libere e quelle occupate. I metalli sono conduttori perché le orbite libere sono al confine con il livello di Fermi e gli elettroni passano facilmente dal livello di Fermi alle orbite libere. Nei semiconduttori due bande di energia sono separate da un gap, il livello di Fermi si trova al confine del gap ed il materiale conduce solo se viene drogato o riscaldato. Il grafene non è né metallo né semiconduttore, ma se si sovrappone a due semigate metallici quasi a contatto, polarizzati il primo positivamente ed il secondo negativamente, si creano due giunzioni n e p ed il livello di Fermi si sposta in alto o in basso rispetto alla banda di valenza. Sul lato n le velocità di gruppo e di fase hanno lo stesso segno, mentre sul lato p hanno segno opposto creando una zona di rifrazione negativa. Lanciando una corrente di elettroni sul lato n, questa si irradia verso la linea di giunzione di là della quale si rifrange negativamente focalizzandosi come la luce in una lente perfetta di Veselago.
Science, 20 Apr 2007, Vol. 316, pg. 430 - Henri J. Lezec - Quando un raggio di luce passa dal vuoto o dall’aria in un mezzo diverso con una incidenza non normale, subisce una rifrazione e cambia la sua direzione di propagazione. L’angolo di rifrazione dipende dal valore assoluto dell’indice di rifrazione del mezzo secondo la legge di Snell. Per tutte le sostanze naturali il fascio viene deflesso sul lato opposto della normale e si dice in questo caso che l’indice di rifrazione è positivo. Nel 1968, Veselago studiò un materiale teorico in cui sia la permittività elettrica che la permeabilità magnetica fossero negative e predisse che avrebbe avuto un indice di rifrazione negativo. In questo caso la luce sarebbe stata rifratta dallo stesso lato della normale. Questa rifrazione, definita negativa, avrebbe portato a nuove applicazioni e ad una focalizzazione con una risoluzione al di sotto del limite di diffrazione. Molte ricerche sono state dedicate allo sviluppo di mezzi con indice di rifrazione negativo detti NIM (negative-index material) e la prima realizzazione si è fatta alle frequenze delle microonde, a 10 MHz, e si è dimostrata la diffrazione negativa mediante l’osservazione diretta. Gli sforzi si sono ora indirizzati ad ottenere dei NIM alle frequenze ottiche e per il momento ci si è limitati a strutture di uno o pochi strati discreti di elementi risonanti formati da un materiale metallo-isolante-metallo (MIM) formanti una guida d’onda che si comportano come un NIM bidimensionale con le due costanti elettriche e magnetiche negative nello spessore della guida eccitata nel modo trasverso magnetico TM al di sotto della frequenza di risonanza. Nell’esperimento sono stati utilizzati tre tratti di guida MIM planari bidimensionali in serie per visualizzare la rifrazione negativa. Un tratto centrale di guida permette la propagazione del modo ad indice negativo, ha spessore 50 nm sotto il cutoff, ed è formata da Au-Si3N4-Ag sagomata in pianta come un trapezio rettangolo con la seconda faccia inclinata di un angolo che è quello della perpendicolare secondo la quale avviene la rifrazione in uscita. Prima e dopo si trovano due guide formate da Ag-Si3N4-Ag con spessore di 500 nm che sostengono la propagazione ad indice positivo. L’eccitazione della guida di ingresso avviene mediante una fessura che penetra dall’alto nella guida e l’onda incide perpendicolarmente all’ingresso della seconda guida con indice di rifrazione negativo e non subisce rifrazione. L’uscita della guida presenta invece una superficie inclinata e l’onda rifrange dallo stesso lato della perpendicolare. L’uscita viene raccolta da una fessura di forma semicircolare con centro nel punto di uscita dell’onda e si può misurare così l’angolo di rifrazione.
Science, 21 Mar 2008, Vol. 319, pg. 1625 - G. I. Meijer - L’industria dei semiconduttori ha sempre aspirato a realizzare sistemi di memorie ad alta densità, alta velocità e bassa potenza che mantengano i loro dati anche quando viene interrotta l’alimentazione. Recentemente l’interesse degli scienziati e dell’industria è stato attratto dal nuovo concetto di memorie a variazione di resistenza nelle quali si sfrutta il cambiamento di come fluisce la corrente attraverso un materiale. Lo stato dell’arte oggi comprende la memorie DRAM (dynamic random-access memory) ormai presenti in tutti i computer che devono essere sempre alimentati per mantenere il loro stato di memoria. Ci sono poi le flash memory che sono non volatili, ma questo vantaggio si ha a spese di una minore velocità di scrittura ed un limitato numero di cicli scrittura/cancellazione. Le memorie flash inoltre non possono essere usate nella memoria principale dei computer che deve essere riscritta frequentemente. La tecnologia flash è quindi ristretta ad applicazioni che non richiedono alta velocità o durate illimitate come hard disk allo stato solido e sistemi di memoria per apparati di fotografia digitale e telefoni cellulari. Tuttavia le flash memory hanno rappresentato circa un terzo del mercato nel 2007. Le tecnologie delle memorie tradizionali si stanno avvicinando ai limiti di miniaturizzazione che sono le celle da 22 nm di larghezza delle piste, previste per il 2016. Questo perché sono tutte basate sulle cariche elettriche e risulta difficile trattenere sufficienti elettroni in queste dimensioni. Lo stesso problema hanno le memorie random-access magnetiche e ferroelettriche. Il principio delle memorie non volatili, che è apparso all’orizzonte e proiettato per il 2013, è basato sul cambiamento di resistenza invece che di carica. Esso include diverse opzioni: a) memorie a cambiamento di fase in materiali come chalcogenidi; b) celle di memoria a metallizzazione programmabile in elettroliti solidi; c) memorie a cambiamento di resistenza con ossidi metallici di transizione. Queste tre opzioni sono attualmente in concorrenza. Il candidato più maturo è la memoria a cambiamento di fase introdotta da Ovshinsky nel decennio 1960 che ha creato molto interesse ed è attivamente seguita da tutti i leader del mercato. Si basa sul cambiamento di resistenza del chalcogenide (Ge2Sb2Te5) fra lo stato di cristallo ordinato e lo stato amorfo disordinato. Riscaldando elettricamente un piccolo volume si liquefà a 600°C e, a seconda dell’ampiezza e durata del segnale applicato, solidifica in forma cristallina a bassa resistenza o in forma amorfa ad alta resistenza. Questi due stati rappresentano lo 1 e lo 0 digitali della memoria. Le celle a metallizzazione programmata si basano sugli ioni metallici inglobati nella matrice vitrea di un elettrolita, ad esempio Ag o Cu in GeSe. Impulsi elettrici di polarità opposta applicati alla cella commutano fra alta e bassa resistenza producendo un’ossidazione o riduzione degli ioni metallici che su scala nanometrica penetrano all’interno e formano un ponte fra i due elettrodi. Il cambiamento di resistenza negli ossidi metallici di transizione, che possono essere perovskites come SrTiO3 o ossidi binari come NiO, è prodotto pure da impulsi elettrici di polarità opposta che commutano due stati reversibili di resistenza alta e bassa. Questi materiali, che hanno richiamato l’attenzione dei ricercatori, hanno in comune una transizione di valenza (ad esempio Ti(+3) - Ti(+4)) e formazione di ossigeno libero che sembra avere il ruolo dominante nel processo. Tutte e tre le soluzioni hanno il potenziale di arrivare a dimensioni di 32 nm di spessore entro il 2013. Per le celle a metallizzazione programmata i ricercatori hanno dimostrato che il ponte metallico può essere controllato fino a 0,5 nm. Un’unità di memoria combinata a un transistor ed una resistenza o un diodo ed una resistenza garantiscono un’alta densità, inoltre il tempo di scrittura di 10 ns soddisfa le esigenze delle DRAM e delle flash memory. L’assorbimento di potenza è un problema per le memorie a cambiamento di fase, ma si riduce con le dimensioni e la forma. Il successo commerciale delle tre soluzioni dipende dall’affidabilità specie se la mobilità degli atomi nella cella provocano degradazione ed il fattore di rischio sta nel ciclo di fusione e ricristallizzazione. Gli altri due candidati sono ancora nella fase di prova ed il giudizio di affidabilità è prematuro. Per gli ossidi metallici di transizione si deve chiarire la funzione dell’ossigeno libero sulla resistenza; questo sistema offre vantaggi per la compatibilità con la tecnologia di fabbricazione dei microprocessori. Bisognerà vedere quale soluzione farà il suo primo debutto sul mercato.
Science, 11 Apr 2008, Vol. 320, pg. 166 - Adrian Cho - Da più di dieci anni fisici ed ingegneri hanno cercato di sostituire le memorie dei computer, telefoni ed altri sistemi elettronici. Ora Stuart Parkin, un fisico IBM del Almaden Research Center di San Jose, in California, ed i suoi colleghi hanno sperimentato una memoria che spinge i bit lungo una pista (racetrack) di scala nanometrica. Queste Racetrack Memory potranno in futuro rimpiazzare, secondo Parkin, memorie che contengono migliaia di canzoni e foto. Gli scettici dubitano che possano essere economicamente competitive. Ci sono memorie di diversi tipi. Gli hard disk memorizzano in minuscoli elementi magnetici che possono essere magnetizzati in un senso o nell’altro; hanno una grande capacità ma sono lenti. Le RAM (random access memory), che si usano direttamente nei computer, codificano le informazioni con cariche elettriche in minuscole capacità; sono veloci, ma perdono le informazioni quando si toglie l’alimentazione. Le flash memory, che si usano nelle macchine fotografiche digitali ed altri piccoli dispositivi, funzionano quasi come le RAM, ma hanno i loro limiti quando si cerca di concentrare molti bit in un chip. Le racetrack memory accumulano le informazioni in un nanowire metallico di permalloy entro minuscoli domini che possono essere magnetizzati lungo il filo. Tuttavia, al contrario dei bit stazionari di un hard drive, la memoria racetrack si muove. Per creare un bit, un impulso di corrente su un filo perpendicolare al nanowire induce un campo magnetico nel dominio in un senso o nell’altro. Un dominio ha un polo nord (head o positivo) ed un polo sud (tail o negativo). Se due domini successivi sono magnetizzati in senso opposto, alla parete fra i domini, DW (domain wall), si può avere head to head (HH) o tail to tail (TT). La lettura dei dati si fa misurando la magnetoresistenza con un elemento a giunzione tunnel accoppiato al racetrack. Il sistema costituisce uno shift register a tre livelli. Secondo Parkin, la memoria racetrack è più veloce, più economica e robusta delle flash e per capacità può rimpiazzare gli hard driver. I critici mettono in risalto le difficoltà. Mettere in moto i domain wall richiede impulsi di corrente di alta intensità e nessuno sa ancora come risolvere il problema. Il concetto è tuttavia innovativo ed audace ed il tempo dirà se porterà ad una tecnologia rivoluzionaria.
Science, 11 July 2008, Vol. 321, pg. 210 - Greg Atwood - Telefoni cellulari, riproduttori di musica digitali e telecamere digitali sono oggi estremamente diffusi divenuti componenti essenziali della vita di tutti i giorni. Prossimamente verranno i PC ultramobili ed i dispositivi personali connessi ad internet. Tutti sono caratterizzati da alte densità di memoria allo stato solido e non volatile, dette flash-memory. La non volatilità è una caratteristica essenziale delle flash-memory: i dati devono permanere anche in assenza di alimentazione. Oggi una singola flash-memory può conservare 10 miliardi di bit, ma le esigenze crescono sempre e si è ormai vicini ai limiti fisici delle tecnologie. Lo stato dell’arte usa oggi dimensioni di 45 nm e non si potrà scendere al di sotto dei 20 nm. Un’alternativa che sta acquistando favore sono le memorie a cambiamento di fase. Queste usano un differente meccanismo per memorizzare. Non producono una differenza strutturale fisica nel materiale, ma provocano una stabile, rapida e reversibile transizione fra una struttura cristallina ordinata ed una struttura atomica amorfa disordinata. Queste due fasi hanno una diversa riflettività per creare memorie ottiche, ma hanno anche diversa conduttività per creare memorie elettroniche. I materiali sono detti chalcogenidi perché contengono elementi del gruppo 6 della tavola periodica. Uno dei materiali più studiati è il GST, una lega vetrosa di germanio, antimonio e tellurio. La transizione fra le due fasi è ottenuta applicando del calore che fonde localmente il materiale mettendolo in uno stato disordinato e successivamente lo raffredda per congelare il materiale in questo stato o permettere al cristallo di ricrescere riportandolo allo stato ordinato. La fase finale è determinata dalla rapidità del raffreddamento. La transizione fra queste due fasi può essere molto veloce: circa 1 ns per la fase disordinata e 100 ns per quella ordinata. La transizione è rapida perché richiede solo un piccolo cambiamento nella struttura atomica. Nella struttura GST la fase cristallina ordinata è determinata dagli atomi di germanio, in posizione ottaedrica dentro il cristallo cubico del tellurio, mentre la fase amorfa, disordinata, mette il germanio in posizione tetraedrica. Il cambiamento di fase è ottenuto con mezzi ottici o elettrici. In fase amorfa il materiale ha bassa riflettività ed alta resistenza, nella fase cristallina ha alta riflettività e bassa resistenza. Per la memorizzazione ottica, il calore per modificare la fase è fornito da un laser e, per la lettura, si usa un laser di bassa potenza. Le recenti ricerche si sono focalizzate per lo sviluppo di memorie allo stato solido che usano il cambiamento di fase elettrico resistivo. Il calore richiesto è fornito da una corrente applicata al materiale e la lettura da una bassa corrente che misura la resistenza. La corrente di scrittura è pure piccola, perché la sezione del materiale è di 50 nm per 5 nm, e le memorie sono ad alta densità. Queste memorie sono interessanti per due motivi. Il primo è la funzionalità, possono essere alterate a livello di bit e scritte più di un milione di volte, mentre le flash-memory hanno dimensioni maggiori e possono essere scritte solo decine di migliaia di volte. La seconda ragione è la piccola dimensione dell’elemento di memoria e la sua riducibilità fino a 5 nm che fa prevedere grandi possibilità di miglioramenti. È stata anche dimostrata la possibilità di memorizzare più di un bit per elemento di memoria sfruttando il campo di resistenza su più livelli; ad esempio, utilizzando 4 livelli di resistenza in ogni elemento di memoria si possono memorizzare due bit di informazione. Sono stati realizzati prototipi di memorie a cambiamento di fase da 128 Mb con elementi da 90 nm e con affidabilità provata.
Science, 20 Feb 2009, Vol. 323, pg. 1000 - Robert F. Service - L’Intel pianifica l’introduzione di una nuova linea di chip che riduce ancora le dimensioni dei componenti. Nell’ultimo mezzo secolo la contrazione progressiva dei componenti si è fondata sulla Legge di Moore che stabilisce il raddoppio dei transistor nei chip circa ogni 2 anni. Gli ultimi due anni hanno portato una silenziosa rivoluzione fra i costruttori di chip. Dal decennio 1990 i costruttori hanno utilizzato nei loro dispositivi materiali costituiti da circa 15 elementi chimici ad oltre 50 per ridurre le dimensioni dei chip. Sicuramente la Legge di Moore durerà ancora per altre due generazioni di chip, ma continuare così non sarà impresa facile ed i ricercatori stanno cercando di riprogettare il modo con cui si fanno i transistor incorporando nuovi isolatori e sostituendo il silicio come semiconduttore attraverso il quale fluiscono le cariche. Al centro del problema sta il transistor o meglio il MOSFET (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) che funziona mandando un impulso di tensione sull’elettrodo centrale, il gate. Le cariche sul gate producono un aumento di conducibilità nel canale permettendo alla corrente di passare fra gli altri due elettrodi (source e drain). L’alta corrente sul drain rappresenta il segnale logico 1, mentre quando il canale si chiude si ha il segnale logico 0. I MOSFET hanno funzionato usando silicio come semiconduttore e realizzando il gate con una pellicola isolante di biossido di silice (SiO2). La perfetta unione fra silicio ed biossido di silicio ha permesso il continuo sviluppo della tecnologia. Continuando a ridurre i transistor, lo spessore dell’isolante si è ridotto a 1 nanometro, uno spessore di tre atomi, ed è necessario trovare un materiale con maggiore isolamento cioè maggiore costante dielettrica, indicata con la lettera k (high-k). Un’alternativa è stata trovata nel biossido di afnio (HfO2). Il silicio policristallino è stato sostituito con una lega a base di titanio ed ultimamente la Intel ha usato un nuovo gate metallico con isolante al biossido di afnio e questo è stato il maggiore cambiamento della tecnologia dei transistor alla fine del decennio 1990. La Intel ed altre compagnie preparano la linea chip da 32 nanometri (con riferimento alla metà della distanza fra due adiacenti linee di celle di memoria) dopo aver risolto gli ultimi problemi, come riportato al meeting di S. Francisco del dicembre 2008. La linea uscirà alla fine del 2009. Dopo i 32 nanometri, il prossimo passo è i 22 nanometri e qui le cose cominciano a diventare interessanti. L’isolante HfO2 comincia ad andare in perdita e si cerca un altro materiale fra cui l’ossido cristallino di lantanio-lutezio, con una costante dielettrica di 40, più di 10 volte quella del biossido di silicio ed il doppio di quella di HfO2. Un’altra opzione è di riprogettare l’architettura dei transistor, abbandonare la struttura a strati, come un sandwich, e disporre il canale verticalmente, una struttura chiamata FinFET perché è come la pinna di un pesce. Un consorzio di ricercatori della Toshiba, IBM e Advanced Micro Devices ha annunziato di aver realizzato il più piccolo FinFET con una geometria che lo rende più affidabile della versione planare. Il dispositivo però soffre per le difficoltà nei contatti sul source e drain. Dopo i 22 nanometri vengono i 15 nanometri ed i miglioramenti su velocità e prestazioni devono venire da nuovi materiali. Bisognerà rimpiazzare il silicio con migliori semiconduttori. I candidati sono i semiconduttori e leghe dei gruppi III-V, riferiti alle loro posizioni nella tabella periodica. Esempi sono il gallium-arsenide (GaAs), l’indio-gallium-arsenide (InGaAs) e l’indio-antimonide (InSb) che hanno tutte una velocità delle cariche negative maggiore del silicio. Ci sono però un gran numero di problemi per utilizzarli nelle correnti tecnologie. Per prima cosa non è possibile realizzare grandi wafer con gli elementi III-V, come per il silicio, e bisognerà integrarli su wafer di silicio. Sorgono problemi per l’accrescimento sul silicio e per neutralizzare i difetti. Un’altra difficoltà è realizzare transistor che conducono cariche positive (di tipo p o buchi) alternandoli con transistor che trasmettono cariche negative (di tipo n o elettroni). Questa combinazione permette un’elettronica più flessibile ed usa meno potenza, ma gli elementi del gruppo III-V conducono meglio gli elettroni dei buchi. Vi sono poi molti altri problemi che possono sembrare insormontabili, tuttavia alcune soluzioni cominciano a farsi strada. Nel 2007 la Intel ha realizzato l’accrescimento di un transistor InGaAs su un wafer di silicio. La combinazione InSb è la più veloce per i transistor di tipo p, ma può essere estremamente costosa. Vi sono poi molte altre idee innovative per la microelettronica, fra questi i transistor fatti con un singolo strato di grafene (una rete di atomi di carbonio), quelli con nanotubi di carbonio ed i nanowires di elementi III-V. Queste innovazioni vanno fatte in fretta, altrimenti la Legge di Moore rallenterà o si fermerà. Forse non si potrà assistere ad un altro decennio di validità della legge, ma l’esperienza non ci permette di fare previsioni.
Science, 15 May 2009, Vol. 324, pg. 875 - Robert F. Service - Il graphene, uno strato di singoli atomi di carbonio, è stato scoperto 5 anni fa ed i ricercatori hanno scoperto quanto sia resistente e flessibile ed altamente conduttivo. Lo scorso anno i ricercatori hanno scritto 1500 rapporti sul graphene. Si tratta di atomi di carbonio disposti su un piano secondo una struttura esagonale in un ordine perfettamente cristallino e questo lo rende estremamente resistente. Le sue caratteristiche lo hanno reso oggetto di molte ricerche. La grafite è costituita da molti strati di graphene sovrapposte. Depositando con una matita una traccia di grafite su un foglio di carta si lasciano centinaia di strati di graphene sovrapposti. Per isolare un singolo strato è stato usato un microscopio che sfrutta le forze atomiche. Portando via i singoli strati sovrapposti si è riusciti ad isolare un singolo strato su un nastro di cellofane e se ne sono studiate le proprietà. Su distanze microscopiche gli elettroni si muovono sullo strato di graphene con bassissima resistenza perché la struttura regolare contiene pochi difetti per rendere irregolare il loro moto. I ricercatori hanno disposto degli elettrodi sopra uno strato di graphene ed hanno sperimentato un field effect con un singolo strato. Gli studi hanno rivelato che il graphene è un semimetallo che conduce sia elettroni che buchi. Nelle prime esperienze, si è trovato che la velocità con cui si muovono le cariche è di 10000 cm quadrati per volt secondo (cm^2/vs) mentre attraverso il silicio la velocità delle cariche è di 1500 cm^2/vs e nel gallio arsenide (GaAs) è di 8500 cm^2/vs. In seguito sui singoli strati di graphene le misure hanno dato le fantastiche velocità di 200000-250000 cm^2/vs come se gli elettroni non avessero massa e si comportassero come i neutrini a velocità relativistiche. Il loro comportamento non seguirebbe più la meccanica quantistica, ma bisognerebbe ricorrere ai principi della quanto-elettrodinamica e con essi si potrebbe sperimentare il famoso paradosso di Kein secondo il quale particelle relativistiche avrebbero alte probabilità di attraversare barriere di potenziale per effetto tunnel. Il meccanismo è che le particelle relativistiche generano le loro antiparticelle e formano delle coppie che attraversano ogni barriera come se non ci fosse. Nelle applicazioni dei circuiti digitali a commutazione il graphene ha lo svantaggio di non annullare mai la sua conducibilità. La maggiore mobilità delle cariche lo può rendere un vantaggioso sostituto nei circuiti a RF sostituendo i costosi materiali GaAs e InP (Indium Phosphide). Per i circuiti digitali la strada è ancora lunga e si stanno studiando le tecniche di costruzione di film di graphene su wafer di silicio o silicon carbide. Realizzando nastri di graphene da 10-20 nanometri essi si comportano come semiconduttori e si possono produrre gli stati di off.
Science, 12 Jun 2009, Vol. 324, pg. 1398 - G. R. Eddy Jr. and D. K. Gaskill - Per i dispositivi ad alta tensione ed alta corrente che possono operare ad alta temperatura, il carburo di silice (SiC) è il materiale da preferire. Gli sforzi per produrre un singolo cristallo di SiC sono cominciati 30 anni fa, ma i problemi per accrescere singoli cristalli di alta qualità senza difetti creati dalle dislocazioni, sono stati superati solo di recente. Progressi nelle tecniche di accrescimento hanno permesso di ottenere substrati SiC di alta qualità per trasmettitori ad alta frequenza ed emettitori di luce bianca allo stato solido. La scelta di un semiconduttore per commutare on-off una corrente elettrica dipende dalla tensione operativa e dalla quantità di corrente da controllare, e le proprietà del SiC lo rendono preferibile a tutti gli altri. L’avvento del processo Lely in fase di vapore del 1955 ha risolto molti problemi. L’accrescimento avviene per trasporto della fase di vapore su semi di cristalli il più possibile senza difetti a temperature molto alte (2200 °C circa). I difetti includono le Basal Plane Dislocation (BPD) e le Threading Screw Dislocation (TSD) che tendono a replicarsi a spirale. Fortunatamente, ad alta temperatura le dislocazioni hanno una certa mobilità, con le interazioni tendono ad autocancellarsi e si sono ottenuti wafer commercialmente utilizzabili. Cinque anni fa si producevano wafer da 50 mm di diametro, oggi si ottengono wafer da 100 mm. Un’espansione a 150 mm porterebbe ad una riduzione dei costi perché i progetti si orientano su queste dimensioni. Sistemi di elevate prestazioni a radiofrequenza per comunicazioni e sistemi radar sono basati su substrati di SiC o con gallium-nidride accresciuto con tecnica epitassiale su SiC. Si è visto inoltre che i wafer SiC sono supporti utili per realizzare film di graphene nelle applicazioni dei terahertz e nei processori di prossima generazione. Con la riduzione dei difetti BPD e TSD, i dispositivi di commutazione elettronica ad alta tensione, alta corrente ed aumentata efficienza si affacciano all’orizzonte e rivoluzioneranno i sistemi di conversione e distribuzione dell’energia basati oggi su sistemi elettromeccanici e tecnologie meno efficienti.
Science, 5 Feb 2010, Vol. 327, pg. 662 – Y. -M. Lin – Il Graphene è il più sottile dei materiali elettronici, costituito da un solo strato di atomi e con una mobilità dei portatori di carica molto elevata. Di recente è stato realizzato un Field Effect Transistor (FET) su un wafer di silicio da 2 pollici con una frequenza di cutoff a radio frequenza di 100 GHz. Uno o due strati di Graphene sono stati depositati, con tecnica epitassiale, sulla faccia di un wafer di SiC molto puro a 1450 °C ed ha dimostrato una densità degli elettroni di circa 3*10^12/cmq e una mobilità dell’effetto Hall fra 1000 e 1500 cmq/(V*s). Variando la lunghezza del gate da 550 nm a 240 nm, la frequenza di cutoff cambia da 50 a 100 GHz. La trasconduttanza del dispositivo, definita come il rapporto della variazione della corrente di drain e la variazione della tensione di gate, è quasi costante in un ampio campo della tensione di gate. Per una lunghezza del gate di 240 nm, la frequenza di cutoff di 100 GHz è stata misurata con una polarizzazione di 2,5 V. Il FET a graphene ha dimostrato l’elevato potenziale di questo materiale nelle applicazioni elettroniche.
Science, 26 Mar 2010, Vol. 327, pg. 1598 – Robert F. Service – Sessanta anni fa, Shuji Nakamura, allora scienziato dei materiali della Nichia, compagnia chimica giapponese, e ora presso l’Università di California, Santa Barbara, ha creato i primi diodi ad alta emissione di luce blu (LED). Questo successo ha aperto la via ai raggi laser blu dei moderni Blu-ray DVD e ai LED a luce bianca che sostituiranno le lampadine a incandescenza. Queste novità sono state rese possibili dallo sviluppo dei nuovi semiconduttori a base di nitridi. Il LED laser di Nakamura era fatto di nitride di gallio (GaN) e altre leghe di semiconduttori. Lo sviluppo dei dispositivi ottici con GaN è stato rapido. Ricercatori in Germania e Giappone, lo scorso anno, hanno realizzato i primi diodi laser verdi con nitridi di indio e gallio, uno sviluppo che renderà possibile una nuova generazione di proiettori a colori. I ricercatori hanno ottenuto altri successi con i dispositivi a semiconduttori di nitridi con transistor che lavorano ad alta velocità e ad alta temperatura, nuove celle solari e sensori chimici miniatura. Si apre l’era dell’elettronica a nitridi il cui potenziale sorpassa per versatilità quelli al silicio in un vasto campo di applicazioni. Ad esempio, nel campo delle celle solari il silicio ha un salto dalla banda di valenza a quella di conduzione di 1,1 V e i fotoni devono superare questo potenziale per estrarre un elettrone e quindi sfruttano solo una ristretta banda di lunghezze d’onda. I semiconduttori a nitridi possono avere valori più bassi e più alti: il nitride di indio (InN) ha 0,6 V, quello di Gallio (GaN) 3,4 V, il nitride di alluminio (AlN) 6,2 V. combinando più semiconduttori in una cella fotovoltaica si può utilizzare uno spettro più ampio e ottenere efficienze maggiori. Altri vantaggi dei semiconduttori a nitridi sono di permettere agli elettroni di muoversi quattro volte più veloci che nel silicio e di poter reggere temperature 100 gradi più alte che nel silicio. Il lato negativo è che non sono stati ancora sviluppati i substrati ideali per fare accrescere questi semiconduttori. Oggi si usano ancora substrati di zaffiro o di silicon carbide con diversi inconvenienti. Di recente una compagnia in Polonia dice di aver fatto crescere un substrato di GaN in vapore di ammoniaca ad alta temperatura. Nel frattempo crescono le applicazioni dei transistor a nitridi di alta frequenza per amplificatori delle comunicazioni satellitari, sistemi radar e telefoni cellulari. Transistori di AlGaN/GaN con elettroni ad alta mobilità amplificano segnali fino a frequenza di 300 GHz. I sistemi cellulari oggi lavorano a frequenze di 1-2 GHz. I transistor a nitridi saranno essenziali per le future reti di alimentazione “smart grid” che devono gestire alte tensioni e alte correnti e utilizzare le sorgenti rinnovabili solare ed eolica secondo la richiesta e la disponibilità. Un’altra area in cui i semiconduttori a nitridi avranno vasta applicazione è quella dei sensori chimici per la loro alta sensibilità e il basso rumore, accoppiandoli a particolari sensori come quelli per rivelare l’idrogeno, o i cambiamenti di pH, o per rivelare particolari proteine come nella ricerca del cancro e il livello di glucosio nei diabetici, usando un particolare enzima, o per rivelare il DNA.
Science, 9 Apr 2010, Vol. 328, pg. 185 – Ravi Prasher – L’affidabilità e la velocità dei dispositivi elettronici e ottico-elettronici dipendono fortemente dalla temperatura e sono necessari materiali ad alta conducibilità termica per disperdere il calore generato localmente. Il rame è largamente usato per la sua conduttività di 400 W/m/K, ma i collegamenti di rame in film sottile riducono la conduttività a 250. Ora si è dimostrato che un monostrato di grafite (grafene) assicura una conduttività termica di circa 600. I materiali di carbonio puro: diamante, grafite e nano tubi di carbonio hanno una conduttività molto alta per i forti legami covalenti fra gli atomi di carbonio. Il grafene ha attratto per le sue molte proprietà uniche come l’elevata mobilità dei portatori di carica che l’hanno reso adatto alla fabbricazione di transistor fino a 100 GHz. Nelle future applicazioni sarà importante comprendere la dissipazione del calore nei sistemi basati sul grafene. Un foglio di grafene sospeso ha una conduttività termica di 500, ma nelle applicazioni pratiche, il grafene è depositato su un supporto di silice o polimerico su cui agiscono le forze di van der Waals e questo riduce il trasporto termico del grafene. In questa struttura combinata la conduttività è inferiore di un ordine di grandezza ma sempre superiore a quella del rame in film sottile. Il meccanismo della conduzione dipende dai modi di conduzione dei fononi che sono del tipo longitudinale (LA) e trasversale (TA) perpendicolare alla direzione di propagazione. L’accoppiamento con il substrato, attraverso le forze di van der Waals, è distribuito in modo irregolare nei punti di reale contatto dovuto alla flessibilità dell’appoggio (modo di trasmissione flexural, ZA) e questo crea un forte drenaggio del calore riducendo quello utile.
Science, 10 Sep 2010, Vol. 329, pg. 1316 – Te-Hao Lee – Per molte importanti applicazioni, come automobili, sistemi di propulsione spaziale, trivellazioni profonde ed esplorazioni geotermiche, nelle quali la temperatura ambiente tipica è di 300-600 °C, i microcontrollori dei sensori e le elettroniche d’interfaccia devono resistere a queste temperature. In questo caso non è applicabile la tecnologia al silicio matura, come quella della complementary metal-oxide semiconductor (CMOS), per le eccessive perdite di dispersione delle giunzioni p-n. Più interessanti sono invece i semiconduttori al silicon carbide (SiC) come potenziale soluzione alla complessità della dissipazione del calore. Oggi, infatti, l’elettronica basata sui semiconduttori al SiC è considerata la più applicabile e in particolare gli junction field-effect transistor (JFET). Invece si è rinunziato ai SiC metal-oxide semiconductor FET per la bassa qualità dell’isolamento del gate e agli Shottky-based metal semiconductor FET per la notevole dispersione gate-to-channel a temperature elevate. I problemi sono meno sentiti per gli JFET. Tuttavia, le maggiori dimensioni, le più alte tensioni, per consentire soglie più elevate e la bassa velocità di commutazione, rendono poco attraente il progetto delle logiche a JFET per la loro maggiore dissipazione. L’alternativa più conveniente è quella dei nano electromechanical system (NEMS) per la bassa potenza e le elevate prestazioni delle commutazioni nelle operazioni logiche. Queste, infatti, consentono di ottenere stati off a zero corrente, quindi senza dissipazione. La scala delle dimensioni è quella del nanometro e possono operare alla frequenza delle microonde (fino a un gigahertz) con eccellente stabilità termica, inerzia chimica e robustezza meccanica. Il contenitore ad alta temperatura è a base di ceramica (ossido di alluminio o AlN). I substrati di allumina hanno dimostrato operatività di migliaia di ore a 500 °C. Usando la tecnica NEMS, è stato fabbricato un inverter elettromeccanico che usa switch complementari al SiC e opera a 500 °C con dispersione di corrente di quattro ordini di grandezza inferiori a quello dei SiC JFET. I due switch complementari, nella tecnica NEMS, sono due stadi di pull-up e pull-down e ciascuno ha tre terminali: un source (S), un gate (G), e un drain (D), dove il gate è il terminale di controllo che provoca il percorso conduttore fra drain e source con un accoppiamento elettrostatico, tra source e gate, per lo stato ON. La realizzazione meccanica è fatta munendo il gate di una leva mobile che sotto l’azione del gate viene in contatto meccanico con il drain. Uno degli switch ha il source collegato alla tensione positiva VD (+6 V nominali) e l’altro alla tensione negativa VS (-6 V nominali). I drain, connessi insieme, costituiscono l’uscita che è connessa alternativamente a VD e a VS, mentre i gate sono connessi ambedue alla tensione negativa VS assicurando, anche nel pull-down un sufficiente dislivello negativo per lo stato di ON. L’inverter è stato provato a 500 kHz, alla temperatura di 500 °C per 2 miliardi di cicli.