Alle viiden nanometrin transistorit nelituumaisille kiekoille

Jokainen suoritin rakentuu transistoreista eli pienistä sähköisistä kytkimistä. Sirujen kehitys on pitkään perustunut kytkimien pienentämiseen. Carnegie Mellon Universityn johtama tutkimusryhmä on valmistanut transistorin molybdeenidisulfidin (MoS₂) yhdestä atomikerroksesta. Kanavan pituus on alle 5 nanometriä, ja valmistusprosessi toteutettiin neljän tuuman kiekolla (Nature Communications). Vertaisarvioitu tutkimus yhdistää äärimmäisen pienet mitat menetelmään, jota sirutehtaissa käytetään piirien kuviointiin.

Tutkimukseen osallistuivat myös University of Florida, MIT, Texas A&M, University of Southern California ja Espanjan Universidad Politécnica de Madrid (Semiconductor Engineering).

Hilan on pidettävä ohjat käsissään

Transistorin virta kulkee lähteeksi kutsutusta liittimestä toiseen, nieluksi kutsuttuun liittimeen, puolijohdemateriaalin kaistaleessa eli kanavassa. Kolmas elektrodi, hila, säätelee virtaa nostamalla tai laskemalla energiavallia. Elektronien voi ajatella joutuvan kiipeämään mäen yli: kun mäki on korkea, kytkin on kiinni, ja kun sitä madalletaan, virta kulkee.

Kun kanava pienenee riittävästi, lähde ja nielu tulevat niin lähelle toisiaan, että niiden sähkökentät alkavat madaltaa vallia. Hila menettää yksinomaisen ohjausvaltansa, ja virta alkaa kulkea kytkimen ollessa suljettuna. Tilanne muistuttaa hanaa, joka ei mene kunnolla kiinni.

Tutkimusryhmä ratkaisi ongelmaa kanavan ohuudella. Kun kanava on vain yhden atomikerroksen paksuinen, hilan sähkökenttä vaikuttaa koko kanavaan kerralla. Mikään osa materiaalista ei jää kentän ulottumattomiin (Nature Communications).

Kuinka terävästi kytkin toimii?

Kytkimen toimintaa arvioidaan suureella nimeltä alikynnysheilahdus. Se kertoo, kuinka paljon hilan jännitettä tarvitaan, jotta virta kymmenkertaistuu transistorin kytkeytyessä päälle. Pieni lukema tarkoittaa terävää kytkentää, joka voi periaatteessa mahdollistaa toiminnan pienemmällä jännitteellä (Nature Communications). Tutkimuksessa ei osoitettu pienjännitteistä virtapiiriä.

Testatuissa transistoreissa alikynnysheilahdus oli tutkijoiden mukaan 88 millivolttia vuosikymmentä kohti, ja päällä kulkeva virta oli yli miljoona kertaa suurempi kuin pois päältä kulkeva virta (Nature Communications). Tiivistelmästä ei käy ilmi, onko 88 paras, tyypillinen vai mediaaniarvo. Oleellinen tulos on päälle- ja poiskytketyn virran suhde. Näin pieni laite, joka johtaisi virtaa jatkuvasti, olisi käytännössä pelkkä johto. Nämä transistorit kytkeytyvät edelleen.

Tutkimusartikkelin otsikossa suorituskykyä kuvataan ilmauksella ”silin rajan tuolla puolen”. Se ei tarkoita, että transistorit alittaisivat huoneenlämmössä tavanomaisia transistoreita rajoittavan noin 60 millivoltin vuosikymmenkohtaisen lämpörajan (review). Arvolla 88 ne jäävät rajan yläpuolelle. Vertailu piiteknologiaan on tutkijoiden oma kehystys.

Ennätyslaitteista kiekkomittakaavaan

Aiemmissa kokeissa MoS₂-transistoreissa oli jo saavutettu huomattavan pienet mitat. Kanavat olivat alle 10 nanometrin pituisia (Nano Letters), ja hilaelektrodin pituus oli noin yksi nanometri (Science). Uusi tutkimus liittää pienentämiseen tuotantoa muistuttavan valmistusmenetelmän. Ryhmä käytti fotolitografiaa, jossa piirien kuviot siirretään valoherkälle pinnoitteelle valottamalla sen läpi sapluunan kaltaisen maskin. Sama perusmenetelmä on käytössä sirutehtaissa.

Tutkijat kuvaavat prosessia CMOS-valmistukseen sopivaksi. CMOS on tuotantoketju, jolla valmistetaan lähes kaikki digitaaliset sirut. Tutkimuksen mukaan työvaiheet voidaan sovittaa yhteen tavanomaisen piivalmistuksen kanssa. Prosessi ajettiin halkaisijaltaan noin 100 millimetrin kiekolla (Nature Communications). Semiconductor Engineering mainitsee saman mitan artikkelia koskevassa yhteenvedossaan (Semiconductor Engineering).

Kyse on kiekkomittakaavan valmistuksen osoituksesta. Tuotantokelpoisuuden arviointi vaatisi tietoja saannosta ja vaihtelusta, joita julkaistu tiivistelmä ei tarjoa. Saatavilla olevista tiedoista ei myöskään käy ilmi, kytkettiinkö transistorit virtapiireiksi. Erillisessä tutkimuksessa valmistettiin suuremmilla 300 millimetrin kiekoilla pidempiä MoS₂- ja WS₂-laitteita. Saanto oli noin 95–99 prosenttia, mutta metallijohtimien ja atomiohuen kerroksen liitoskohdassa havaittiin edelleen suurta kontaktivastusta. Myös kiekkojen välistä vaihtelua esiintyi (300-mm study).

Vertaisarvioitu tutkimus osoittaa, että alle viiden nanometrin MoS₂-kanavat ja kiekkomittakaavan litografia voidaan yhdistää samaan prosessiin (Nature Communications). Prosessin muuttuminen valmistusteknologian perustaksi riippuu saannosta ja transistorien välisestä vaihtelusta.