Tranzystory poniżej 5 nm na waflach 4-calowych

Każdy procesor powstaje z tranzystorów, czyli mikroskopijnych przełączników elektrycznych. Od lat postęp w produkcji układów polega między innymi na zmniejszaniu tych elementów. Zespół kierowany przez Carnegie Mellon University zbudował tranzystory z pojedynczej warstwy atomów dwusiarczku molibdenu (MoS₂), których kanały mają mniej niż 5 nanometrów, a następnie zastosował tę technologię na czterocalowym waflu (Nature Communications). Recenzowane badanie łączy więc skrajne miniaturyzowanie tranzystorów z metodą nanoszenia wzorów wykorzystywaną w fabrykach układów scalonych.

W pracach uczestniczyły także University of Florida, MIT, Texas A&M, University of Southern California oraz hiszpańska Universidad Politécnica de Madrid (Semiconductor Engineering).

Bramka musi zachować kontrolę

Prąd w tranzystorze płynie z jednego zacisku, źródła, do drugiego, drenu, przez pasek materiału nazywany kanałem. Trzecią elektrodą jest bramka, która steruje przepływem, podnosząc albo obniżając barierę energetyczną. Można wyobrazić ją sobie jako wzniesienie, które elektrony muszą pokonać: gdy bramka je podnosi, przełącznik jest wyłączony, a gdy obniża, prąd zaczyna płynąć.

Gdy kanał zostanie dostatecznie skrócony, źródło i dren znajdują się tak blisko siebie, że ich pola elektryczne zaczynają spłaszczać tę barierę. Bramka traci wyłączną kontrolę nad przepływem, a prąd przecieka, choć przełącznik powinien pozostawać wyłączony. To sytuacja podobna do kranu, którego nie da się całkowicie zakręcić.

Podejście zespołu opiera się na zmniejszeniu grubości kanału. W kanale o grubości jednej warstwy atomów pole elektryczne bramki oddziałuje jednocześnie na cały materiał. Żadna jego część nie pozostaje poza zasięgiem sterowania (Nature Communications).

Jak zdecydowany jest przełącznik?

Inżynierowie oceniają ostrość przełączania za pomocą parametru nazywanego nachyleniem podprogowym. Mierzy on, o ile trzeba zwiększyć napięcie bramki, aby podczas włączania urządzenia dziesięciokrotnie zwiększyć prąd. Im niższa wartość, tym ostrzejsze przełączanie, co w założeniu pozwala pracować przy niższym napięciu (Nature Communications). To badanie nie wykazało jednak działania układu przy niskim napięciu.

Dla przetestowanych urządzeń autorzy podają nachylenie na poziomie 88 miliwoltów na dekadę oraz prąd w stanie włączenia ponad milion razy większy niż w stanie wyłączenia (Nature Communications). W podsumowaniu nie wyjaśniono, czy wartość 88 jest najlepszym, typowym czy medianowym wynikiem. Najważniejsza jest proporcja prądu w obu stanach. Tak mały element, który przewodziłby bez skutecznego przełączania, byłby po prostu przewodem. Tutaj tranzystory nadal działają jak przełączniki.

Tytuł publikacji mówi o wydajności „wykraczającej poza granicę krzemu”. Nie oznacza to, że urządzenia pokonały termiczną granicę około 60 miliwoltów na dekadę, która w temperaturze pokojowej ogranicza konwencjonalne tranzystory (review). Przy wartości 88 pozostają powyżej tego poziomu. Porównanie z krzemem jest sposobem ujęcia wyników przyjętym przez autorów.

Od rekordowych urządzeń do wafla

Wcześniejsze eksperymenty doprowadziły już tranzystory MoS₂ do imponujących rozmiarów, między innymi kanałów krótszych niż 10 nm (Nano Letters) oraz elektrody bramki o długości około jednego nanometra (Science). Nowe badanie dodaje do tej miniaturyzacji metodę przypominającą proces produkcyjny. Zespół wykorzystał fotolitografię, w której wzory obwodów nanosi się przez naświetlanie światłoczułej powłoki przez maskę przypominającą szablon. To ta sama podstawowa technika, na której opiera się produkcja układów scalonych.

Autorzy opisują proces jako zgodny z technologią CMOS, czyli ciągiem etapów wykorzystywanym przy wytwarzaniu niemal wszystkich cyfrowych układów scalonych. Według ich opisu poszczególne operacje można przeprowadzić obok standardowej obróbki krzemu. Proces zastosowano na waflu o średnicy około 100 mm (Nature Communications), co powtarza także Semiconductor Engineering w podsumowaniu publikacji (Semiconductor Engineering).

To demonstracja wytwarzania na poziomie całego wafla. O gotowości produkcyjnej decydowałyby dane o uzysku, czyli odsetku sprawnych urządzeń, oraz o rozrzucie parametrów. Opublikowane podsumowanie ich nie zawiera, a dostępne informacje nie potwierdzają, że tranzystory połączono w działające układy. O tym, co obejmuje kolejny etap, pokazuje osobne badanie na większych, 300-milimetrowych waflach, w którym wykorzystano dłuższe urządzenia z MoS₂ i WS₂. Uzysk wyniósł około 95–99%, ale badacze nadal stwierdzili wysoką rezystancję kontaktową, czyli straty elektryczne w miejscu połączenia metalowego przewodnika z atomowo cienką warstwą, a także różnice między kolejnymi waflami (300-mm study).

Recenzowane badanie pokazuje, że kanały MoS₂ krótsze niż 5 nanometrów można wytwarzać w jednym procesie z fotolitografią obejmującą cały wafel (Nature Communications). O tym, czy powstanie z tego platforma produkcyjna, zdecydują uzysk oraz różnice między poszczególnymi urządzeniami.