Alla 5 nm transistorid jõudsid vahvlitele

Kõik protsessorid koosnevad transistoridest ehk tillukestest elektrilülititest. Kiibid on pikka aega muutunud võimekamaks eelkõige seetõttu, et neid lüliteid on suudetud väiksemaks teha. Carnegie Melloni ülikooli juhitud töörühm valmistas nüüd transistorid ühest molübdeendisulfiidi (MoS₂) aatomikihist. Nende kanalid on lühemad kui 5 nanomeetrit ning protsess viidi läbi neljatollisel vahvlil (Nature Communications). Eelretsenseeritud töö ühendab äärmusliku miniaturiseerimise meetodiga, mida kiibitehased mustrite valmistamiseks kasutavad.

Uuringus osalesid ka Florida ülikool, MIT, Texas A&M, Lõuna-California ülikool ja Hispaania Universidad Politécnica de Madrid (Semiconductor Engineering).

Värav peab säilitama kontrolli

Transistoris liigub vool ühe klemmi, lähtme, juurest teise, neeluni, läbi materjaliriba, mida nimetatakse kanaliks. Kolmas elektrood, värav, reguleerib voolu, tõstes või langetades energiabarjääri. Elektronid peavad sellest kujuteldavast künkast üle saama: kõrgem küngas lülitab voolu välja, madalam laseb selle läbi.

Kui kanal piisavalt lühikeseks teha, paiknevad läte ja neel teineteisele nii lähedal, et nende elektriväljad hakkavad energiabarjääri ise madalamaks muutma. Värav kaotab ainsa kontrollija rolli ja vool hakkab läbi lekkima ka siis, kui lüliti peaks olema välja lülitatud. See meenutab kraani, mis ei sulgu kunagi täielikult.

Töörühma lahendus põhineb materjali õhuksusel. Kui kanal on vaid ühe aatomikihi paksune, mõjub värava elektriväli kogu kanalile korraga ning ükski materjali osa ei jää selle mõjualast välja (Nature Communications).

Kui järsult lüliti töötab?

Insenerid hindavad transistori lülitumise järsust näitajaga, mida nimetatakse alamlävekaldeks. See mõõdab, kui palju peab värava pinget suurendama, et sisselülituva seadme vool kümnekordistuks. Väiksem väärtus tähendab järsemat lülitumist ning põhimõtteliselt võimaldab see töötada väiksema pingega (Nature Communications). Käesolev uuring väikese pingega töötavat vooluahelat ei näidanud.

Testitud seadmete alamlävekalde oli autorite sõnul 88 millivolti kümnendi kohta. Sisse lülitatud olekus oli vool välja lülitatud olekuga võrreldes rohkem kui miljon korda suurem (Nature Communications). Uuringu kokkuvõttest ei selgu, kas 88 millivolti on parim, tüüpiline või mediaantulemus. Oluline on sisse- ja väljalülitatud oleku erinevus. Nii väikese seadme puhul, mis laseks voolu ainult läbi, oleks tegu lihtsalt juhtmega. Need transistorid siiski lülituvad.

Artikli pealkiri kirjeldab tulemust kui saavutust, mis ulatub „ränipiirist kaugemale“. See ei tähenda, et seadmed ületaksid tavapäraste transistoride termilise piiri, mis on toatemperatuuril ligikaudu 60 millivolti kümnendi kohta (review). 88 millivoldi juures jäävad need sellest piirist kõrgemale. Võrdluse räniga on loonud autorid ise.

Rekordseadmetest vahvlini

Varasemad katsed olid viinud MoS₂-transistorid juba muljetavaldavate mõõtmeteni: kanalid olid alla 10 nanomeetri (Nano Letters) ja väravaelektroodi pikkus ligikaudu üks nanomeeter (Science). Uus töö lisab sellele miniaturiseerimisele tootmisega sarnaneva meetodi. Töörühm kasutas fotolitograafiat, mille puhul kantakse valgusetundlikule kihile valguse abil läbi maski vooluahela muster. Põhimõtteliselt sama meetodit kasutavad kiibitehased.

Autorite sõnul sobib protsess CMOS-tehnoloogiaga ehk tootmisvooga, millel põhineb peaaegu kõigi digikiipide valmistamine. Nende kirjelduse järgi saab etapid ühendada tavapärase ränipõhise tootmisega. Katse viidi läbi umbes 100 millimeetri laiusel vahvlil (Nature Communications). Sama detaili toob oma artiklikokkuvõttes esile ka Semiconductor Engineering (Semiconductor Engineering).

Tegu on vahvlitasandi valmistamisnäitega. Tootmiseks valmis tehnoloogia hindamiseks oleks vaja andmeid saagise ja seadmete varieeruvuse kohta, kuid avaldatud kokkuvõte neid ei anna. Olemasolevate andmete põhjal ei ole ka selge, kas transistorid ühendati vooluahelateks. Eraldi uuring suurematel 300-millimeetristel vahvlitel, kus kasutati pikemate kanalitega MoS₂- ja WS₂-seadmeid, näitab järgmise etapi raskusi. Seal ulatus saagis ligikaudu 95–99 protsendini, kuid probleemiks jäid suur kontakttakistus ehk metallühenduse ja aatomõhukese kihi kokkupuutel tekkiv elektriline kadu ning vahvlitevaheline varieeruvus (300-mm study).

Eelretsenseeritud töö näitab, et alla 5 nanomeetri pikkused MoS₂-kanalid ja vahvlitasandi litograafia on võimalik ühendada üheks protsessiks (Nature Communications). Selle protsessi sobivuse tootmisplatvormiks otsustavad saagis ja seadmete erinevused.