Tranzistori sub 5 nm pe plachete de 4 inci

Orice procesor este construit din tranzistori, mici întrerupătoare electrice, iar cipurile au fost îmbunătățite mult timp prin micșorarea acestor componente. O echipă coordonată de Carnegie Mellon University a construit acum tranzistori dintr-un singur strat atomic de disulfură de molibden (MoS₂), cu canale mai scurte de 5 nanometri, și a aplicat procesul pe o plachetă de patru inci (Nature Communications). Rezultatul, publicat într-o revistă evaluată inter pares, combină miniaturizarea extremă cu metoda de litografiere folosită în fabricile de cipuri.

La cercetare au participat și University of Florida, MIT, Texas A&M, University of Southern California și Universidad Politécnica de Madrid din Spania (Semiconductor Engineering).

Menținerea controlului porții

Curentul dintr-un tranzistor circulă de la un terminal, sursa, la altul, drena, printr-o fâșie de material numită canal. Un al treilea electrod, poarta, controlează fluxul prin ridicarea sau coborârea unei bariere de energie. Imaginea intuitivă este cea a unui deal pe care electronii trebuie să-l urce: dacă dealul este ridicat, întrerupătorul este închis; dacă este coborât, curentul circulă.

Dacă micșorăm suficient canalul, sursa și drena ajung atât de aproape una de cealaltă încât propriile lor câmpuri electrice încep să aplatizeze bariera. Poarta își pierde controlul exclusiv, iar curentul se scurge chiar și atunci când întrerupătorul ar trebui să fie închis, asemenea unui robinet care nu se închide niciodată complet.

Soluția echipei se bazează pe grosimea foarte mică a materialului. Într-un canal format dintr-un singur strat de atomi, câmpul electric al porții acționează simultan asupra întregului canal, astfel încât nicio parte a materialului nu rămâne în afara razei sale de acțiune (Nature Communications).

Cât de precis comută tranzistorul?

Inginerii evaluează precizia unui întrerupător printr-un indicator numit variație subprag. Acesta măsoară câtă tensiune suplimentară trebuie aplicată porții pentru ca intensitatea curentului să crească de zece ori în timpul pornirii dispozitivului. O valoare mai mică indică un comutator mai precis, care, în principiu, poate funcționa la o tensiune mai redusă (Nature Communications). Studiul de față nu a demonstrat însă un circuit de joasă tensiune.

Pentru dispozitivele testate, autorii raportează o variație de 88 de milivolți pe decadă și un curent în starea „pornit” de peste un milion de ori mai mare decât cel din starea „oprit” (Nature Communications). Rezumatul nu precizează dacă valoarea de 88 este cea mai bună, una tipică sau mediana rezultatelor. Raportul dintre curentul de pornire și cel de oprire este însă informația relevantă: un dispozitiv atât de mic care ar conduce pur și simplu curentul ar fi un fir, iar acești tranzistori încă funcționează ca întrerupătoare.

Titlul lucrării descrie performanța drept „dincolo de limita siliciului”. Formularea nu înseamnă că dispozitivele depășesc limita termică de aproximativ 60 de milivolți pe decadă, care constrânge tranzistorii convenționali la temperatura camerei (review). Cu o valoare de 88, aceștia se află peste această limită. Comparația cu siliciul este modul în care autorii își încadrează rezultatul.

De la dispozitive-record la o plachetă

Experimente anterioare împinseseră deja tranzistorii cu MoS₂ către dimensiuni remarcabile, inclusiv canale mai scurte de 10 nm (Nano Letters) și un electrod de poartă cu o lungime de aproximativ un nanometru (Science). Noul studiu adaugă miniaturizării o metodă apropiată de procesele de producție. Echipa a folosit fotolitografia, prin care tiparele circuitelor sunt imprimate cu ajutorul luminii, proiectată printr-o mască asemănătoare unui șablon, pe un strat sensibil la lumină. Aceasta este aceeași tehnică de bază pe care se bazează fabricile de cipuri.

Autorii descriu procesul ca fiind compatibil cu fabricarea CMOS, fluxul de producție din spatele aproape tuturor cipurilor digitale. Potrivit lucrării, etapele au fost concepute pentru a putea fi integrate alături de procesarea convențională a siliciului. Cercetătorii au lucrat pe o plachetă cu diametrul de aproximativ 100 mm (Nature Communications), detaliu repetat de Semiconductor Engineering în rezumatul lucrării (Semiconductor Engineering).

Este o demonstrație de fabricare la nivelul întregii plachete. Trecerea la producție ar necesita date despre randament și variația caracteristicilor dispozitivelor, pe care rezumatul publicat nu le oferă, iar informațiile accesibile nu demonstrează că tranzistorii au fost conectați în circuite. Un studiu separat, realizat pe plachete mai mari, de 300 mm, și folosind dispozitive cu MoS₂ și WS₂ mai lungi, arată ce presupune etapa următoare. Cercetătorii au obținut un randament de aproximativ 95–99 %, dar au identificat în continuare o rezistență mare de contact, adică pierderea electrică produsă la întâlnirea dintre conexiunile metalice și stratul cu grosime atomică, precum și variații de la o plachetă la alta (300-mm study).

Această cercetare evaluată inter pares arată că tranzistorii cu canale MoS₂ sub 5 nanometri și litografia la nivelul întregii plachete pot fi obținuți în cadrul aceluiași proces (Nature Communications). Randamentul și variația dintre dispozitive vor determina dacă procesul poate deveni o platformă de fabricație.