Транзистори под 5 nm върху 4-инчови пластини

Всеки процесор е изграден от транзистори — миниатюрни електрически превключватели. От десетилетия чиповете се усъвършенстват, като тези превключватели се смаляват. Екип, ръководен от Carnegie Mellon University, е създал транзистори от един атомен слой молибденов дисулфид (MoS₂), с канали, по-къси от 5 нанометра, и е приложил процеса върху четириинчова пластина (Nature Communications). Рецензираните резултати съчетават крайна миниатюризация с метода за нанасяне на схемите, използван в производството на чипове.

В работата са участвали още University of Florida, MIT, Texas A&M, University of Southern California и Universidad Politécnica de Madrid в Испания (Semiconductor Engineering).

Гейтът запазва контрола

Токът в транзистора преминава от единия му електрод, източника, към другия, затвора, през ивица материал, наречена канал. Трети електрод — гейтът — управлява този поток, като повишава или понижава енергийна бариера. Представете си я като хълм, който електроните трябва да изкачат: когато хълмът е висок, превключвателят е изключен, а когато се понижи, токът протича.

Ако каналът се смали достатъчно, източникът и дренажът се оказват толкова близо, че собствените им електрически полета започват да изравняват хълма. Гейтът губи изключителния си контрол и токът започва да изтича, когато превключвателят би трябвало да е изключен — като кран, който никога не се затваря напълно.

Подходът на екипа разчита на изключително тънкия канал. Когато той е дебел само един атомен слой, електрическото поле на гейта въздейства едновременно върху целия канал и никоя част от материала не остава извън обсега му (Nature Communications).

Колко рязко превключва?

Инженерите оценяват прецизността на един превключвател чрез показател, наречен субпрагов наклон. Той измерва колко допълнително напрежение към гейта е необходимо, за да се увеличи токът десетократно при включването на устройството. По-малката стойност означава по-рязко превключване, а това на теория позволява работа при по-ниско напрежение (Nature Communications). Настоящото изследване не демонстрира схема, работеща при ниско напрежение.

За тестваните устройства авторите съобщават субпрагов наклон от 88 миливолта на декада и ток в състояние „включено“, който е повече от един милион пъти по-голям от тока в състояние „изключено“ (Nature Communications). Резюмето не уточнява дали 88 е най-добрата, типичната или медианната стойност. Съотношението между токовете при включено и изключено състояние е по-съществено. Устройство с такива размери, което само провежда ток, би било просто проводник. Тези транзистори обаче продължават да превключват.

Заглавието на статията описва резултата като „отвъд границата на силиция“. Това не означава, че устройствата са преминали термичния предел от около 60 миливолта на декада, който ограничава конвенционалните транзистори при стайна температура (review). При стойност 88 те остават над този предел. Сравнението със силиция е рамката, избрана от авторите.

От рекордни устройства до пластина

Предишни експерименти вече бяха намалили размерите на транзисторите от MoS₂ до забележителни стойности, включително канали под 10 нанометра (Nano Letters) и гейт с дължина около един нанометър (Science). Новата работа добавя към тази миниатюризация метод, близък до производствените процеси. Екипът е използвал фотолитография, при която схемите се нанасят чрез пропускане на светлина през маска, подобна на шаблон, върху светлочувствително покритие. Това е базовата техника, на която разчитат и фабриките за чипове.

Авторите описват процеса като съвместим с производството по CMOS — технологичната последователност, чрез която се изработват почти всички цифрови чипове. Според тях стъпките могат да се впишат в конвенционалната обработка на силициеви пластини. Екипът е работил с пластина с диаметър около 100 мм (Nature Communications) — детайл, който Semiconductor Engineering също посочва в обобщението си на статията (Semiconductor Engineering).

Това е демонстрация на производство върху цяла пластина. За да се оцени готовността за серийно производство, са нужни данни за производствения добив и вариациите между устройствата. Публикуваното резюме не ги предоставя, а наличните материали не показват дали транзисторите са били свързани в схеми. Отделно изследване върху по-големи 300-милиметрови пластини, с по-дълги устройства от MoS₂ и WS₂, показва какво включва следващият етап. То постига добив от около 95–99 %, но установява и високо контактно съпротивление — електрическата загуба там, където металното окабеляване се среща с атомно тънкия слой — както и разлики между отделните пластини (300-mm study).

Тази рецензирана работа показва, че канали от MoS₂ под 5 нанометра и литография върху цяла пластина могат да бъдат съчетани в един процес (Nature Communications). Дали процесът може да се превърне в производствена платформа ще зависи от добива и вариациите между отделните устройства.