5 nm alatti tranzisztorok 4 hüvelykes wafereken

Minden processzor tranzisztorokból, apró elektromos kapcsolókból épül fel, a chipek teljesítményét pedig évtizedek óta azzal javítják, hogy ezeket a kapcsolókat egyre kisebbre zsugorítják. A Carnegie Mellon University vezette kutatócsoport most egyetlen atomnyi molibdén-diszulfid-rétegből (MoS₂) készített tranzisztorokat, amelyek csatornája 5 nanométernél rövidebb, és a folyamatot egy négyhüvelykes ostyán is megvalósította (Nature Communications). A szakértők által ellenőrzött eredmény az extrém miniatürizálást azzal a mintázási eljárással kapcsolja össze, amelyet a chipgyárak is használnak.

A kutatásban a University of Florida, az MIT, a Texas A&M, a University of Southern California és a spanyol Universidad Politécnica de Madrid is részt vett (Semiconductor Engineering).

A vezérlés a kapuelektródánál marad

A tranzisztorban az áram az egyik kivezetéstől, a forrástól a másikig, a nyelőig folyik egy csatornának nevezett anyagrétegen keresztül. Az áramot egy harmadik elektróda, a kapu szabályozza: az energiagát emelésével vagy csökkentésével kapcsolja ki, illetve be az eszközt. Olyan ez, mintha az elektronoknak egy dombon kellene átjutniuk: ha a domb magas, a kapcsoló zárva marad, ha alacsony, az áram folyhat.

Ha a csatorna elég rövidre zsugorodik, a forrás és a nyelő olyan közel kerül egymáshoz, hogy saját elektromos terük elkezdi ellapítani ezt a gátat. A kapu így elveszíti kizárólagos irányító szerepét, és akkor is szivárogni kezd az áram, amikor a kapcsolónak zárva kellene lennie — mint egy csapnál, amelyet nem lehet teljesen elzárni.

A kutatócsoport a csatorna vékonyságára épített. Egyetlen atomrétegből álló csatornában a kapu elektromos tere egyszerre hat az egész anyagra, így annak egyetlen része sem kerül a kapu hatókörén kívül (Nature Communications).

Mennyire éles a kapcsolás?

A mérnökök a kapcsoló élességét az úgynevezett alsó küszöbfeszültség-meredekséggel, angolul subthreshold swinggel jellemzik. Ez azt mutatja meg, mekkora többlet kapufeszültség kell ahhoz, hogy bekapcsoláskor tízszeresére nőjön az áram. A kisebb érték élesebb kapcsolást jelent, ami elvben alacsonyabb feszültségű működést is lehetővé tesz (Nature Communications). Ez a kutatás azonban nem mutatott be alacsony feszültségen működő áramkört.

A tesztelt eszközöknél a szerzők 88 millivolt per dekád értéket mértek, a bekapcsolt állapotban folyó áram pedig több mint egymilliószorosa volt a kikapcsolt állapoténak (Nature Communications). Az összefoglaló nem tér ki arra, hogy a 88-as érték a legjobb, a jellemző vagy a medián eredmény-e. A lényeg az be- és kikapcsolt állapot közötti arány. Egy ilyen kicsi eszköz, amely csak vezetne, egyszerű huzal lenne; ezek a tranzisztorok viszont továbbra is kapcsolnak.

A tanulmány címe szerint a teljesítmény „túlmutat a szilícium korlátain”. Ez nem jelenti azt, hogy az eszközök túllépik a szobahőmérsékleten működő hagyományos tranzisztorok nagyjából 60 millivolt per dekádos hőmérsékleti határát (review). A 88-as érték ennél magasabb. A szilíciummal való összevetés a szerzők saját értelmezési kerete.

A rekordméretű eszközöktől az ostyáig

Korábbi kísérletekben már figyelemre méltó méretű MoS₂-tranzisztorokat készítettek, köztük 10 nanométernél rövidebb csatornával (Nano Letters) és nagyjából egy nanométeres kapuelektródával (Science). Az új kutatás ehhez a miniatürizáláshoz egy gyártásszerű eljárást is hozzáadott. A csapat fotolitográfiát alkalmazott: az áramköri mintázatot egy sablonhoz hasonló maszkon áthaladó fénnyel rajzolják rá a fényérzékeny bevonatra. A chipgyárak alapvetően ugyanezt a technikát használják.

A szerzők szerint az eljárás illeszkedik a CMOS-gyártáshoz, amely szinte valamennyi digitális chip előállításának alapja. Leírásuk alapján a lépések összeegyeztethetők a hagyományos szilíciumalapú gyártással. A folyamatot egy nagyjából 100 milliméter átmérőjű ostyán futtatták végig (Nature Communications); ezt a részletet a tanulmány összefoglalóját ismertető Semiconductor Engineering is kiemeli (Semiconductor Engineering).

Ez ostyaszintű gyártási bemutató. A sorozatgyártás megítéléséhez kihozatali és szórási adatokra lenne szükség, a publikált összefoglaló azonban ezeket nem közli, és az elérhető beszámolókból az sem derül ki, hogy a tranzisztorokat áramkörökbe kötötték volna. Egy különálló, nagyobb, 300 milliméteres ostyákon végzett kutatás — amely hosszabb MoS₂- és WS₂-eszközöket használt — megmutatja, mi következik ezután. A kutatók nagyjából 95–99 százalékos kihozatalt értek el, de továbbra is magas kontaktusellenállást mértek, vagyis jelentős elektromos veszteséget ott, ahol a fémes vezeték az atomvastagságú réteghez csatlakozik. Az ostyák között is eltéréseket találtak (300-mm study).

A szakértők által ellenőrzött kutatás azt mutatja, hogy az 5 nanométernél rövidebb MoS₂-csatornák és az ostyaszintű litográfia egyetlen gyártási folyamatban is összeegyeztethető (Nature Communications). Azt, hogy az eljárásból valódi gyártási platform lehet-e, a kihozatal és az egyes eszközök közötti eltérés dönti el.