Tranzistory pod 5 nm na waferu

Každý procesor se skládá z tranzistorů, drobných elektrických spínačů. Vývoj čipů dlouhodobě stojí na jejich zmenšování. Tým vedený Carnegie Mellon University nyní vyrobil tranzistory z jediné atomární vrstvy disulfidu molybdeničitého (MoS₂), jejichž kanály jsou kratší než 5 nanometrů, a celý postup provedl na čtyřpalcovém waferu (Nature Communications). Recenzovaný výsledek spojuje extrémní miniaturizaci s technologií vytváření struktur, kterou používají továrny na čipy.

Na práci se podílely také University of Florida, MIT, Texas A&M, University of Southern California a španělská Universidad Politécnica de Madrid (Semiconductor Engineering).

Jak udržet hradlo pod kontrolou

Tranzistorem prochází elektrický proud z jedné elektrody, emitoru, k druhé, kolektoru, přes proužek materiálu zvaný kanál. Třetí elektroda, hradlo, tok proudu řídí zvyšováním nebo snižováním energetické bariéry. Lze si ji představit jako kopec, který musí elektrony překonat: když se zvýší, spínač se vypne, když se sníží, proud začne protékat.

Jakmile se kanál zkrátí natolik, že jsou emitor a kolektor těsně u sebe, jejich vlastní elektrická pole začnou tento „kopec“ zplošťovat. Hradlo tak ztrácí výhradní kontrolu a proud uniká, i když by měl být spínač vypnutý. Připomíná to kohoutek, který nejde úplně zavřít.

Přístup týmu stojí na tenkosti materiálu. V kanálu tvořeném jedinou atomární vrstvou působí elektrické pole hradla na celý kanál najednou, takže žádná jeho část nezůstává mimo dosah hradla (Nature Communications).

Jak rychle spínač sepne?

Ostrím spínače inženýři posuzují pomocí veličiny zvané podprahový sklon. Ta měří, o kolik je třeba zvýšit napětí na hradle, aby se při zapínání zařízení proud zvětšil desetinásobně. Nižší hodnota znamená ostřejší sepnutí a takový spínač by teoreticky mohl pracovat při nižším napětí (Nature Communications). Tato studie ale nízkonapěťový obvod nepředvedla.

U testovaných zařízení autoři uvádějí podprahový sklon 88 milivoltů na dekádu a proud v zapnutém stavu více než milionkrát vyšší než ve stavu vypnutém (Nature Communications). Shrnutí studie neříká, zda je hodnota 88 nejlepší, typická, nebo mediánová. Podstatný je poměr zapnutého a vypnutého stavu. Takto malý prvek, kterým by proud pouze procházel, by byl spíše vodičem než tranzistorem. Tyto součástky stále fungují jako spínače.

Název článku popisuje výkon jako „za hranicí křemíku“. Neznamená to, že zařízení překonala tepelný limit zhruba 60 milivoltů na dekádu, který při pokojové teplotě omezuje konvenční tranzistory (review). S hodnotou 88 jsou stále nad touto hranicí. Srovnání s křemíkem je rámec, který zvolili sami autoři.

Od rekordních součástek k waferu

Dřívější experimenty už dostaly tranzistory z MoS₂ na pozoruhodné rozměry, včetně kanálů kratších než 10 nm (Nano Letters) a hradla dlouhého přibližně jeden nanometr (Science). Nová práce k této miniaturizaci přidává výrobní postup odpovídající průmyslové praxi. Tým použil fotolitografii, při níž se obvodové struktury vytvářejí prosvícením masky podobné šabloně do vrstvy citlivé na světlo. Na stejném základním principu pracují továrny na čipy.

Autoři popisují postup jako slučitelný s výrobou CMOS, která tvoří základ produkce téměř všech digitálních čipů. Podle jejich popisu jsou jednotlivé kroky navrženy tak, aby se daly zařadit vedle běžného zpracování křemíku. Tým je provedl na waferu o průměru přibližně 100 mm (Nature Communications), což ve svém shrnutí studie uvádí také Semiconductor Engineering (Semiconductor Engineering).

Jde o demonstraci výroby v měřítku waferu. O připravenosti k sériové výrobě by rozhodovaly údaje o výtěžnosti a rozptylu vlastností, které zveřejněné shrnutí neuvádí. Z dostupných informací také nevyplývá, že by byly tranzistory zapojeny do obvodů. Jiná studie na větších 300milimetrových waferech, která využila delší součástky z MoS₂ a WS₂, ukazuje, co by následovalo. Dosáhla výtěžnosti přibližně 95–99 %, stále však zaznamenala vysoký kontaktní odpor, tedy elektrické ztráty v místě, kde se kovové vedení dotýká atomárně tenké vrstvy, a také rozdíly mezi jednotlivými wafery (300-mm study).

Tato recenzovaná práce ukazuje, že kanály z MoS₂ kratší než 5 nanometrů lze vyrábět v měřítku waferu pomocí fotolitografie v jediném výrobním postupu (Nature Communications). O tom, zda se z něj může stát výrobní platforma, rozhodnou výtěžnost a rozdíly mezi jednotlivými součástkami.