Tranzistory pod 5 nm na štvorpalcových doštičkách

Každý procesor tvoria tranzistory, drobné elektrické spínače. Čipy sa už desaťročia zlepšujú najmä tým, že tieto spínače zmenšujú. Tím vedený Carnegie Mellon University teraz vyrobil tranzistory z jedinej atómovej vrstvy disulfidu molybdénu (MoS₂), s kanálmi kratšími ako 5 nanometrov, a rovnaký postup použil na štvorpalcovom waferi (Nature Communications). Recenzovaný výskum tak spája mimoriadnu miniaturizáciu s litografickou metódou, ktorú používajú továrne na výrobu čipov.

Na práci sa podieľali aj University of Florida, MIT, Texas A&M, University of Southern California a španielska Universidad Politécnica de Madrid (Semiconductor Engineering).

Ako udržať riadenie v rukách hradla

Prúd v tranzistore tečie z jednej elektródy, zdroja, k druhej, kolektoru, cez pás materiálu nazývaný kanál. Tretia elektróda, hradlo, tento tok riadi tým, že zvyšuje alebo znižuje energetickú bariéru. Predstaviť si ju možno ako kopec, ktorý musia elektróny prekonávať: keď ho hradlo zvýši, spínač je vypnutý, keď ho zníži, prúd začne tiecť.

Keď sa kanál zmenší natoľko, že zdroj a kolektor sú tesne pri sebe, ich vlastné elektrické polia začnú tento kopec znižovať. Hradlo tak stráca výhradnú kontrolu a prúd uniká aj vtedy, keď má byť spínač vypnutý. Je to podobné ako kohútik, ktorý sa nikdy úplne nezatvorí.

Prístup tímu stojí na tenkosti materiálu. V kanáli hrubom iba jednu atómovú vrstvu pôsobí elektrické pole hradla na celý kanál naraz, takže žiadna jeho časť nezostáva mimo dosahu hradla (Nature Communications).

Ako rýchlo sa spínač prepne?

Inžinieri posudzujú rýchlosť prepínania veličinou nazývanou podprahový sklon. Udáva, o koľko treba zvýšiť napätie na hradle, aby sa pri zapínaní prúd zvýšil desaťnásobne. Nižšia hodnota znamená ostrejšie prepínanie a takýto spínač môže teoreticky pracovať pri nižšom napätí (Nature Communications). Táto štúdia však nízkonapäťový obvod nepredviedla.

Pri testovaných zariadeniach autori uvádzajú podprahový sklon 88 milivoltov na dekádu a prúd v zapnutom stave viac ako miliónkrát vyšší než v stave vypnutom (Nature Communications). Zhrnutie neuvádza, či je hodnota 88 najlepším, typickým alebo mediánovým výsledkom. Podstatný je pomer medzi zapnutým a vypnutým stavom. Takéto malé zariadenie, ktoré by iba viedlo prúd, by bolo jednoducho drôtom. Tieto tranzistory však stále prepínajú.

Názov článku hovorí o výkone „za hranicou kremíka“. Neznamená to, že zariadenia prekonali tepelnú hranicu približne 60 milivoltov na dekádu, ktorá pri izbovej teplote obmedzuje bežné tranzistory (review). S hodnotou 88 sa stále nachádzajú nad touto hranicou. Porovnanie s kremíkom je vlastným rámcom autorov štúdie.

Od rekordných zariadení k waferu

Už skoršie experimenty dostali tranzistory z MoS₂ na pozoruhodné rozmery vrátane kanálov kratších ako 10 nm (Nano Letters) a elektródy hradla dlhej približne jeden nanometer (Science). Nová práca k tejto miniaturizácii pridáva výrobný postup vhodný pre väčšiu škálu. Tím použil fotolitografiu, pri ktorej sa obvody vytvárajú presvietením šablóny na vrstvu citlivú na svetlo. Ide o základnú metódu, na ktorej stojí aj výroba čipov v továrňach.

Autori opisujú postup ako kompatibilný s výrobou CMOS, teda s výrobným procesom, ktorý sa používa pri takmer všetkých digitálnych čipoch. Podľa ich opisu sú jednotlivé kroky navrhnuté tak, aby sa dali kombinovať s bežným spracovaním kremíka. Postup vyskúšali na waferi s priemerom približne 100 mm (Nature Communications). Tento detail opakuje aj Semiconductor Engineering vo svojom zhrnutí štúdie (Semiconductor Engineering).

Ide o ukážku výroby na úrovni celého waferu. Na posúdenie pripravenosti na sériovú výrobu by boli potrebné údaje o výťažnosti a rozdieloch medzi jednotlivými zariadeniami. Publikované zhrnutie ich neuvádza a dostupné informácie nepotvrdzujú, že tranzistory boli zapojené do obvodov. Samostatná štúdia na väčších 300-milimetrových waferoch, ktorá používala dlhšie zariadenia z MoS₂ a WS₂, ukazuje, čo si vyžaduje ďalšia etapa. Dosiahla výťažnosť približne 95 až 99 %, zároveň však zaznamenala vysoký kontaktný odpor, teda elektrické straty v mieste, kde kovové vedenie prilieha k atómovej vrstve, aj rozdiely medzi jednotlivými wafermi (300-mm study).

Táto recenzovaná práca ukazuje, že kanály z MoS₂ kratšie ako 5 nanometrov možno vyrobiť v jednom procese spolu s litografiou na úrovni waferu (Nature Communications). O tom, či sa tento postup môže stať výrobnou platformou, rozhodnú výťažnosť a rozdiely medzi jednotlivými tranzistormi.