Mažesni nei 5 nm tranzistoriai ant 4 colių plokštelių

Kiekvienas procesorius sudarytas iš tranzistorių – mažyčių elektrinių jungiklių, o lustai ilgą laiką buvo tobulinami mažinant šių jungiklių matmenis. Carnegie Mellon universiteto vadovaujama mokslininkų grupė iš vieno atominio molibdeno disulfido (MoS₂) sluoksnio pagamino tranzistorius, kurių kanalai trumpesni nei 5 nanometrai, ir pritaikė šį procesą keturių colių plokštelei (Nature Communications). Recenzuotas tyrimas sujungia itin mažus tranzistorius su litografijos metodu, naudojamu lustų gamyklose.

Tyrime taip pat dalyvavo Floridos universitetas, Masačusetso technologijos institutas (MIT), Teksaso A&M universitetas, Pietų Kalifornijos universitetas ir Ispanijos Madrido politechnikos universitetas (Semiconductor Engineering).

Kaip išlaikyti vartų kontrolę

Tranzistoriuje srovė teka iš vieno gnybto – šaltinio – į kitą, vadinamą sankaupa, per medžiagos juostą, vadinamą kanalu. Trečiasis elektrodas – vartai – kontroliuoja šį srautą didindami arba mažindami energijos barjerą. Tai galima įsivaizduoti kaip kalvą, per kurią elektronai turi perkopti: pakėlus kalvą jungiklis išjungiamas, ją nuleidus pradeda tekėti srovė.

Kanalą pakankamai susiaurinus, šaltinis ir sankaupa atsiduria taip arti vienas kito, kad jų elektriniai laukai pradeda lyginti šią kalvą. Vartai praranda išskirtinę srovės kontrolę, todėl ji ima tekėti net tada, kai jungiklis turėtų būti išjungtas – panašiai kaip čiaupas, kuris niekada visiškai neužsidaro.

Mokslininkų grupė rėmėsi medžiagos plonumu. Kai kanalas sudarytas vos iš vieno atomų sluoksnio, vartų elektrinis laukas vienu metu veikia visą kanalą, todėl nė viena medžiagos dalis nelieka už jo veikimo ribų (Nature Communications).

Kiek staigiai jungiklis persijungia?

Inžinieriai jungiklio staigumą vertina rodikliu, vadinamu pokrypiu žemiau slenksčio. Jis parodo, kiek papildomos vartų įtampos reikia srovei dešimteriopai padidinti, kai prietaisas įjungiamas. Mažesnė reikšmė reiškia staigesnį persijungimą, o toks jungiklis iš principo gali veikti naudodamas mažesnę įtampą (Nature Communications). Šiame tyrime žemos įtampos grandinė nebuvo pademonstruota.

Išbandytų prietaisų pokrypis žemiau slenksčio, autorių teigimu, siekė 88 milivoltus dekadai, o įjungto ir išjungto prietaiso srovės santykis viršijo milijoną (Nature Communications). Santraukoje nenurodyta, ar 88 milivoltai – geriausia, tipinė, ar mediana. Esminę reikšmę turi įjungtos ir išjungtos būsenų santykis. Tokio dydžio prietaisas, kuriame srovė tekėtų nuolat, būtų tiesiog laidas, o šie tranzistoriai vis dar persijungia.

Straipsnio pavadinime teigiama, kad pasiektas našumas „peržengia silicio ribą“. Tai nereiškia, kad prietaisai įveikė maždaug 60 milivoltų dekadai šiluminę ribą, kuri kambario temperatūroje galioja įprastiems tranzistoriams (review). 88 milivoltų rezultatas šią ribą viršija. Silicio palyginimą pateikia patys tyrimo autoriai.

Nuo rekordinių prietaisų iki plokštelės

Ankstesniuose eksperimentuose MoS₂ tranzistoriai jau buvo sumažinti iki įspūdingų matmenų: kanalai buvo trumpesni nei 10 nm (Nano Letters), o vartų elektrodas siekė maždaug vieną nanometrą (Science). Naujasis tyrimas prie šio miniatiūrizavimo pridėjo gamybai artimą metodą. Komanda naudojo fotolitografiją – grandinių raštai suformuojami šviesa per trafaretą primenančią kaukę apšviečiant šviesai jautrią dangą. Tai tas pats pagrindinis metodas, kuriuo remiasi lustų gamyklos.

Autoriai teigia, kad šis procesas suderinamas su CMOS gamyba – technologiniu procesu, naudojamu beveik visiems skaitmeniniams lustams gaminti. Jų aprašyti etapai sukurti taip, kad galėtų būti derinami su įprasta silicio lustų gamyba. Procesas išbandytas maždaug 100 mm skersmens plokštelėje (Nature Communications); šį faktą savo straipsnio santraukoje pakartoja ir „Semiconductor Engineering“ (Semiconductor Engineering).

Tai – gamybos visoje plokštelėje demonstracija. Norint įvertinti pasirengimą pramoninei gamybai, reikėtų duomenų apie tinkamų prietaisų išeigą ir parametrų sklaidą, tačiau paskelbtoje santraukoje jų nėra. Viešai prieinama informacija taip pat nepatvirtina, kad tranzistoriai buvo sujungti į grandines. Atskirame tyrime, atliktame su didesnėmis 300 mm plokštelėmis ir ilgesniais MoS₂ bei WS₂ prietaisais, parodyta, ko reikėtų kitame etape. Jame pasiekta maždaug 95–99 % išeiga, tačiau išliko didelė kontaktinė varža – elektriniai nuostoliai metalui susijungiant su atomų plonumo sluoksniu – ir skirtumai tarp atskirų plokštelių (300-mm study).

Šis recenzuotas tyrimas rodo, kad mažesni nei 5 nanometrų MoS₂ kanalai ir litografija visoje plokštelėje gali būti suderinti viename procese (Nature Communications). Ar šis procesas taps gamybos platforma, lems išeiga ir skirtumai tarp atskirų prietaisų.