Tranzistori ispod 5 nm na 4-inčnim pločicama

Svaki procesor sastoji se od tranzistora, sićušnih električnih sklopki, a čipovi su se desetljećima poboljšavali smanjivanjem tih sklopki. Tim predvođen Carnegie Mellon Universityjem sada je izradio tranzistore od jednoga atomskog sloja molibdenova disulfida (MoS₂), s kanalima kraćima od 5 nanometara, te postupak primijenio na četveroinčnoj pločici (Nature Communications). Recenzirani rad povezuje krajnju minijaturizaciju s postupkom litografskog oblikovanja koji se koristi u tvornicama čipova.

U istraživanju su sudjelovali i University of Florida, MIT, Texas A&M, University of Southern California te španjolski Universidad Politécnica de Madrid (Semiconductor Engineering).

Kako zadržati nadzor nad vratima

Struja u tranzistoru teče od jednoga priključka, izvora, do drugoga, odvoda, kroz traku materijala koja se naziva kanal. Treća elektroda, vrata, upravlja protokom tako što podiže ili spušta energetsku barijeru. Može se zamisliti kao uzvisina preko koje elektroni moraju prijeći: kada se uzvisina podigne, sklopka je isključena, a kada se spusti, struja poteče.

Ako se kanal dovoljno skrati, izvor i odvod približe se toliko da njihova električna polja počnu izravnavati tu barijeru. Vrata tada više nemaju potpun nadzor, pa struja počinje curiti i kada bi sklopka trebala biti isključena, poput slavine koja se nikada potpuno ne zatvara.

Pristup ovog tima temelji se na tankoći materijala. U kanalu debelom samo jedan atomski sloj električno polje vrata djeluje na cijeli kanal istodobno, pa nijedan njegov dio nije izvan dosega tog polja (Nature Communications).

Koliko je sklopka precizna?

Inženjeri preciznost sklopke procjenjuju veličinom koja se naziva podpragovski nagib. Ona mjeri koliko je dodatnog napona na vratima potrebno da se struja tijekom uključivanja poveća deset puta. Manja vrijednost znači preciznije uključivanje, a preciznija bi sklopka načelno mogla raditi pri nižem naponu (Nature Communications). Ovo istraživanje nije pokazalo sklop koji radi pri niskom naponu.

Za ispitane uređaje autori navode podpragovski nagib od 88 milivolti po dekadi, dok je struja u uključenom stanju bila više od milijun puta veća nego u isključenom stanju (Nature Communications). Sažetak ne navodi je li vrijednost 88 najbolji, uobičajeni ili srednji rezultat. Omjer uključenog i isključenog stanja nosi važniju poruku: uređaj ovako malen koji bi samo provodio struju bio bi tek žica, a ovi tranzistori i dalje funkcioniraju kao sklopke.

Naslov rada opisuje rezultate kao „iznad granice silicija”. To ne znači da su uređaji nadmašili toplinsku granicu od približno 60 milivolti po dekadi, koja pri sobnoj temperaturi ograničava konvencionalne tranzistore (review). S vrijednošću od 88 milivolti oni su i dalje iznad te granice. Usporedba sa silicijem dio je načina na koji rezultate predstavljaju sami autori.

Od rekordnih uređaja do pločice

Raniji pokusi već su smanjili MoS₂ tranzistore na iznimne dimenzije, uključujući kanale kraće od 10 nanometara (Nano Letters) i elektrodu vrata dugu približno jedan nanometar (Science). Novo istraživanje toj minijaturizaciji dodaje postupak nalik onome u proizvodnji. Tim je upotrijebio fotolitografiju, kojom se obrasci sklopova oblikuju propuštanjem svjetlosti kroz masku nalik šabloni na sloj osjetljiv na svjetlost. Riječ je o istoj osnovnoj tehnici na kojoj se temelji proizvodnja čipova.

Autori navode da je postupak kompatibilan s CMOS-proizvodnjom, proizvodnim slijedom iza gotovo svih digitalnih čipova. Prema njihovu opisu, koraci su osmišljeni tako da se mogu uklopiti uz uobičajenu obradu silicija. Postupak su proveli na pločici promjera približno 100 milimetara (Nature Communications), što u sažetku rada ponavlja i Semiconductor Engineering (Semiconductor Engineering).

Riječ je o demonstraciji izrade na razini cijele pločice. Za spremnost za proizvodnju bili bi potrebni podatci o proizvodnom prinosu i varijacijama, no objavljeni sažetak ih ne donosi, a dostupni izvori ne potvrđuju da su tranzistori povezani u sklopove. Zasebno istraživanje na većim pločicama promjera 300 milimetara, s duljim uređajima od MoS₂ i WS₂, pokazuje što bi trebalo uslijediti. U njemu je postignut prinos od približno 95–99 posto, ali je i dalje utvrđen velik otpor na kontaktu, odnosno električni gubitak na mjestu gdje se metalni vod spaja s atomskim slojem, kao i razlike između pojedinih pločica (300-mm study).

Ovaj recenzirani rad pokazuje da se MoS₂ kanali kraći od 5 nanometara i litografija na razini cijele pločice mogu spojiti u jednom postupku (Nature Communications). Hoće li taj postupak postati proizvodna platforma ovisit će o proizvodnom prinosu i razlikama među pojedinim uređajima.