Sub-5 nm tranzistori uz 4 collu plāksnēm

Ikviens procesors sastāv no tranzistoriem — sīkiem elektriskiem slēdžiem. Mikroshēmas jau ilgu laiku tiek uzlabotas, šos slēdžus samazinot. Carnegie Mellon University vadīta pētnieku grupa izveidojusi tranzistorus no viena molibdēna disulfīda (MoS₂) atomu slāņa. To kanāli ir īsāki par 5 nanometriem, un izgatavošanas process īstenots uz četru collu plāksnes (Nature Communications). Recenzētais pētījums apvieno ārkārtēju miniatūrizāciju ar litogrāfijas metodi, ko izmanto mikroshēmu rūpnīcās.

Pētījumā piedalījās arī University of Florida, MIT, Texas A&M, University of Southern California un Spānijas Universidad Politécnica de Madrid (Semiconductor Engineering).

Vārti saglabā kontroli

Tranzistorā strāva plūst no viena kontakta — avota — uz otru, ko dēvē par noteku, pa materiāla joslu, ko sauc par kanālu. Trešais elektrods — vadības vārti — regulē šo plūsmu, paaugstinot vai pazeminot enerģijas barjeru. To var iztēloties kā kalnu, kuram elektroniem jāpārkāpj: ja kalns kļūst augstāks, slēdzis izslēdzas, bet, ja zemāks, sāk plūst strāva.

Kanālam kļūstot pietiekami īsam, avots un notece atrodas tik tuvu, ka to radītie elektriskie lauki sāk saplacināt šo kalnu. Vadības vārti zaudē ekskluzīvu kontroli, un strāva sāk noplūst arī tad, kad slēdzim vajadzētu būt izslēgtam — gluži kā krānam, kas nekad neaizveras pilnībā.

Pētnieku pieeja balstās materiāla plānumā. Kanālā, kas ir tikai viena atoma slāņa biezumā, vadības vārtu elektriskais lauks iedarbojas uz visu kanālu vienlaikus. Neviena materiāla daļa nepaliek ārpus šī lauka ietekmes (Nature Communications).

Cik strauji slēdzis pārslēdzas?

Inženieri slēdža darbības straujumu vērtē ar parametru, ko sauc par apakšsliekšņa slīpumu. Tas parāda, cik liels papildu vadības vārtu spriegums vajadzīgs, lai, ierīcei ieslēdzoties, strāva palielinātos desmitkārt. Mazāks skaitlis nozīmē straujāku pārslēgšanos, un šāds slēdzis teorētiski var darboties ar zemāku spriegumu (Nature Communications). Šajā pētījumā zemsprieguma ķēde netika demonstrēta.

Pārbaudītajām ierīcēm autori norāda apakšsliekšņa slīpumu 88 milivolti uz dekādi, bet ieslēgtā stāvokļa strāva vairāk nekā miljonu reižu pārsniedza izslēgtā stāvokļa strāvu (Nature Communications). Kopsavilkumā nav teikts, vai 88 milivolti ir labākais, tipiskais vai mediānais rezultāts. Būtiskākā ir ieslēgtās un izslēgtās strāvas attiecība. Tik maza ierīce, kas tikai vadītu strāvu, būtu vienkārši vads. Šie tranzistori joprojām pārslēdzas.

Raksta nosaukumā sniegums raksturots kā tāds, kas pārsniedz „silīcija robežu”. Tas nenozīmē, ka ierīces pārspēj aptuveni 60 milivoltu uz dekādi lielo termisko minimumu, kas istabas temperatūrā ierobežo tradicionālos tranzistorus (review). Ar 88 milvoltiem tās joprojām atrodas virs šīs robežas. Salīdzinājums ar silīciju ir pašu autoru izvēlēts ietvars.

No rekordierīcēm līdz plāksnei

Agrākos eksperimentos MoS₂ tranzistoriem jau bija izdevies sasniegt iespaidīgus izmērus — tostarp izveidot kanālus, kas īsāki par 10 nanometriem (Nano Letters), un aptuveni vienu nanometru garu vadības vārtu elektrodu (Science). Jaunais pētījums šai miniatūrizācijai pievieno ražošanai līdzīgu metodi. Pētnieki izmantoja fotolitogrāfiju — ķēžu zīmējumu veido, caur masku, kas darbojas kā trafarets, apstarojot gaismjutīgu pārklājumu. Tā ir tā pati pamattehnoloģija, uz kuru balstās mikroshēmu rūpnīcas.

Autori procesu raksturo kā saderīgu ar CMOS ražošanu — tehnoloģisko ķēdi, ko izmanto gandrīz visu digitālo mikroshēmu izgatavošanā. Viņu aprakstā procesa soļi veidoti tā, lai tos varētu apvienot ar tradicionālo silīcija ražošanu. Process tika īstenots uz aptuveni 100 mm platas plāksnes (Nature Communications). To savā pētījuma kopsavilkumā atkārto arī Semiconductor Engineering (Semiconductor Engineering).

Tas ir ražošanas demonstrējums uz visas plāksnes. Lai spriestu par gatavību rūpnieciskai ražošanai, būtu vajadzīgi dati par derīgo ierīču īpatsvaru un parametru izkliedi. Publicētajā kopsavilkumā šādu datu nav, un pieejamie materiāli neapstiprina, ka tranzistori būtu savienoti ķēdēs. Atsevišķs pētījums uz lielākām, 300 mm platām plāksnēm ar garākiem MoS₂ un WS₂ elementiem parāda nākamo attīstības posmu. Tajā sasniegts aptuveni 95–99 % derīgo ierīču īpatsvars, tomēr saglabājās liela kontakta pretestība — elektriskie zudumi vietā, kur metāla savienojums saskaras ar atomu plāno slāni — un atšķirības starp plāksnēm (300-mm study).

Šis recenzētais pētījums parāda, ka vienā procesā iespējams apvienot MoS₂ kanālus, kas īsāki par 5 nanometriem, un litogrāfiju uz visas plāksnes (Nature Communications). Par ražošanas platformu šo procesu varētu padarīt tikai augsts derīgo ierīču īpatsvars un maza parametru atšķirība starp atsevišķiem tranzistoriem.