Τρανζίστορ κάτω των 5 nm σε γκοφρέτες 4 ιντσών

Κάθε επεξεργαστής αποτελείται από τρανζίστορ, μικροσκοπικούς ηλεκτρικούς διακόπτες, και η βελτίωση των τσιπ βασίζεται εδώ και χρόνια στη συρρίκνωση αυτών των διακοπτών. Ομάδα με επικεφαλής το Carnegie Mellon University κατασκεύασε τώρα τρανζίστορ από ένα μόνο ατομικό στρώμα δισουλφιδίου του μολυβδαινίου (MoS₂), με κανάλια μήκους μικρότερου των 5 νανομέτρων, και εφάρμοσε τη διαδικασία σε γκοφρέτα τεσσάρων ιντσών (Nature Communications). Το αποτέλεσμα, που έχει περάσει από αξιολόγηση ομοτίμων, συνδυάζει την ακραία σμίκρυνση με τη μέθοδο λιθογραφίας που χρησιμοποιούν τα εργοστάσια παραγωγής τσιπ.

Στην εργασία συμμετείχαν επίσης το University of Florida, το MIT, το Texas A&M, το University of Southern California και το Universidad Politécnica de Madrid της Ισπανίας (Semiconductor Engineering).

Να παραμείνει ο έλεγχος στην πύλη

Το ρεύμα σε ένα τρανζίστορ κινείται από έναν ακροδέκτη, την πηγή, προς έναν άλλο, τον απαγωγό, μέσω μιας λωρίδας υλικού που ονομάζεται κανάλι. Ένα τρίτο ηλεκτρόδιο, η πύλη, ελέγχει τη ροή αυξάνοντας ή μειώνοντας ένα ενεργειακό φράγμα. Η λειτουργία θυμίζει έναν λόφο που πρέπει να ανέβουν τα ηλεκτρόνια: όταν ο λόφος ψηλώνει, ο διακόπτης κλείνει, ενώ όταν χαμηλώνει, το ρεύμα περνά.

Όταν το κανάλι μικρύνει αρκετά, η πηγή και ο απαγωγός βρίσκονται τόσο κοντά ώστε τα ηλεκτρικά τους πεδία αρχίζουν να ισοπεδώνουν το φράγμα. Η πύλη χάνει τον αποκλειστικό έλεγχο και το ρεύμα διαρρέει το τρανζίστορ ενώ θα έπρεπε να είναι κλειστό, όπως συμβαίνει σε μια βρύση που δεν κλείνει εντελώς.

Η προσέγγιση της ομάδας βασίζεται στο μικρό πάχος. Σε ένα κανάλι πάχους μόλις ενός ατομικού στρώματος, το ηλεκτρικό πεδίο της πύλης επενεργεί ταυτόχρονα σε ολόκληρο το κανάλι, επομένως κανένα τμήμα του υλικού δεν βρίσκεται έξω από την εμβέλειά του (Nature Communications).

Πόσο απότομα λειτουργεί ο διακόπτης;

Οι μηχανικοί αξιολογούν την απόκριση ενός διακόπτη με ένα μέγεθος που ονομάζεται υποκατώφια κλίση. Μετρά πόση επιπλέον τάση στην πύλη χρειάζεται για να δεκαπλασιαστεί το ρεύμα καθώς η συσκευή ενεργοποιείται. Όσο μικρότερη είναι η τιμή, τόσο πιο απότομα λειτουργεί ο διακόπτης και, θεωρητικά, τόσο χαμηλότερη μπορεί να είναι η τάση λειτουργίας (Nature Communications). Η συγκεκριμένη μελέτη δεν απέδειξε τη λειτουργία κυκλώματος χαμηλής τάσης.

Για τις συσκευές που δοκίμασαν, οι συγγραφείς αναφέρουν υποκατώφια κλίση 88 millivolts ανά δεκαπλασιασμό, καθώς και ρεύμα στην κατάσταση «on» πάνω από ένα εκατομμύριο φορές μεγαλύτερο από το ρεύμα στην κατάσταση «off» (Nature Communications). Η περίληψη δεν διευκρινίζει αν η τιμή των 88 είναι η καλύτερη, η τυπική ή η διάμεση μέτρηση. Το ουσιαστικό μήνυμα βρίσκεται στη σχέση ενεργοποίησης-απενεργοποίησης: μια τόσο μικρή συσκευή που απλώς άφηνε το ρεύμα να περνά θα ήταν καλώδιο, ενώ αυτές οι συσκευές εξακολουθούν να λειτουργούν ως διακόπτες.

Ο τίτλος της μελέτης περιγράφει την επίδοση ως «πέρα από το όριο του πυριτίου». Η διατύπωση αυτή δεν σημαίνει ότι οι συσκευές ξεπερνούν το θερμικό κατώφλι των περίπου 60 millivolts ανά δεκαπλασιασμό, το οποίο περιορίζει τα συμβατικά τρανζίστορ σε θερμοκρασία δωματίου (review). Με τιμή 88, βρίσκονται πάνω από αυτό το όριο. Η σύγκριση με το πυρίτιο αποτελεί το πλαίσιο που επιλέγουν οι ίδιοι οι συγγραφείς.

Από τις συσκευές-ρεκόρ στη γκοφρέτα

Προγενέστερα πειράματα είχαν ήδη οδηγήσει τα τρανζίστορ MoS₂ σε εντυπωσιακές διαστάσεις, με κανάλια μικρότερα των 10 nm (Nano Letters) και ηλεκτρόδιο πύλης μήκους περίπου ενός νανομέτρου (Science). Η νέα εργασία προσθέτει σε αυτή τη σμίκρυνση μια μέθοδο που προσεγγίζει τις συνθήκες παραγωγής. Η ομάδα χρησιμοποίησε φωτολιθογραφία, δηλαδή τη χάραξη προτύπων κυκλωμάτων με την προβολή φωτός μέσω μάσκας, που λειτουργεί σαν στένσιλ, πάνω σε φωτοευαίσθητη επίστρωση. Πρόκειται για την ίδια βασική τεχνική που χρησιμοποιούν τα εργοστάσια τσιπ.

Οι συγγραφείς περιγράφουν τη διαδικασία ως συμβατή με την κατασκευή CMOS, την παραγωγική ροή πίσω από σχεδόν όλα τα ψηφιακά τσιπ. Σύμφωνα με την περιγραφή τους, τα επιμέρους βήματα μπορούν να ενταχθούν alongside στη συμβατική επεξεργασία πυριτίου. Η διαδικασία εφαρμόστηκε σε γκοφρέτα διαμέτρου περίπου 100 mm (Nature Communications), στοιχείο που επαναλαμβάνει και το Semiconductor Engineering στην περίληψη της μελέτης (Semiconductor Engineering).

Πρόκειται για επίδειξη κατασκευής σε επίπεδο γκοφρέτας. Για να αποδειχθεί ότι η διαδικασία είναι έτοιμη για παραγωγή, θα χρειάζονταν στοιχεία για την απόδοση παραγωγής και τη μεταβλητότητα, τα οποία δεν περιλαμβάνονται στη δημοσιευμένη περίληψη· ούτε προκύπτει από τα διαθέσιμα στοιχεία ότι τα τρανζίστορ συνδέθηκαν μεταξύ τους σε κυκλώματα. Μια ξεχωριστή μελέτη σε μεγαλύτερες γκοφρέτες 300 mm, με μακρύτερες συσκευές MoS₂ και WS₂, δείχνει τι περιλαμβάνει το επόμενο στάδιο. Κατέγραψε απόδοση περίπου 95-99 τοις εκατό, εντόπισε όμως υψηλή αντίσταση επαφής, δηλαδή απώλεια ρεύματος στο σημείο όπου η μεταλλική καλωδίωση συναντά το ατομικά λεπτό στρώμα, καθώς και διαφορές από τη μία γκοφρέτα στην άλλη (300-mm study).

Η αξιολογημένη από ομοτίμους εργασία δείχνει ότι τα κανάλια MoS₂ κάτω των 5 νανομέτρων και η λιθογραφία σε επίπεδο γκοφρέτας μπορούν να συνυπάρξουν στην ίδια διαδικασία (Nature Communications). Το αν η διαδικασία μπορεί να εξελιχθεί σε παραγωγική πλατφόρμα θα κριθεί από την απόδοση και τη μεταβλητότητα από συσκευή σε συσκευή.