Tranzistorji pod 5 nm na štiripalčnih rezinah

Vsak procesor je zgrajen iz tranzistorjev, drobnih električnih stikal, napredek čipov pa že dolgo temelji na njihovem zmanjševanju. Skupina pod vodstvom Univerze Carnegie Mellon je zdaj izdelala tranzistorje iz ene same atomske plasti molibdenovega disulfida (MoS₂), katerih kanali so krajši od 5 nanometrov, postopek pa izvedla na štiripalčni rezini (Nature Communications). Recenzirana raziskava združuje skrajno miniaturizacijo z metodo izdelave vzorcev, ki jo uporabljajo tovarne čipov.

Pri delu so sodelovale tudi Univerza Florida, MIT, Texas A&M, Univerza Južne Kalifornije in španska Universidad Politécnica de Madrid (Semiconductor Engineering).

Vrata morajo ohraniti nadzor

Tok v tranzistorju teče od enega priključka, izvora, do drugega, ponora, po traku materiala, imenovanem kanal. Tretja elektroda, vrata, ta tok nadzoruje tako, da zvišuje ali znižuje energijsko pregrado. Predstavljamo si jo lahko kot hrib, ki ga morajo elektroni prečkati: če ga vrata zvišajo, je stikalo izklopljeno, če ga znižajo, začne teči tok.

Ko kanal dovolj skrajšamo, sta izvor in ponor tako blizu skupaj, da njuni električni polji začneta zravnavati to pregrado. Vrata izgubijo izključni nadzor, tok pa začne teči tudi takrat, ko bi moralo biti stikalo izklopljeno, podobno kot pri pipi, ki se nikoli povsem ne zapre.

Pristop raziskovalcev temelji na tankosti kanala. Pri kanalu, ki je debel le eno atomsko plast, električno polje vrat učinkuje na celoten kanal hkrati, zato noben del materiala ne ostane zunaj njegovega dosega (Nature Communications).

Kako ostro je stikalo?

Inženirji ostrino stikala ocenjujejo s parametrom, imenovanim podpragovni naklon. Ta meri, za koliko je treba povečati napetost na vratih, da se tok pri vklapljanju naprave poveča za desetkrat. Manjša vrednost pomeni ostrejše stikalo, takšno stikalo pa lahko načeloma deluje pri nižji napetosti (Nature Communications). Ta raziskava ni pokazala vezja z nizko delovno napetostjo.

Pri preizkušenih napravah avtorji poročajo o podpragovnem naklonu 88 milivoltov na dekado, tok v vklopljenem stanju pa je bil več kot milijonkrat večji kot v izklopljenem (Nature Communications). Povzetek ne pove, ali je vrednost 88 najboljši, značilni ali mediani rezultat. Ključno sporočilo je razmerje med vklopljenim in izklopljenim stanjem. Tako majhna naprava, ki bi le prevajala tok, bi bila zgolj žica; te naprave pa še vedno delujejo kot stikala.

Naslov članka govori o zmogljivosti »onkraj silicijeve omejitve«. To ne pomeni, da so naprave presegle toplotno mejo približno 60 milivoltov na dekado, ki pri sobni temperaturi omejuje običajne tranzistorje (review). Pri 88 milivoltih so še vedno nad to mejo. Primerjava s silicijem je okvir, ki so ga izbrali avtorji.

Od rekordnih naprav do rezine

Prejšnji poskusi so tranzistorje iz MoS₂ že pripeljali do izjemnih mer, med drugim do kanalov, krajših od 10 nm (Nano Letters), in elektrode vrat, dolge približno en nanometer (Science). Nova raziskava tej miniaturizaciji dodaja postopek, zasnovan za izdelavo v večjem obsegu. Skupina je uporabila fotolitografijo, pri kateri se vzorci vezij oblikujejo tako, da se svetloba skozi masko, podobno šabloni, posveti na svetlobno občutljiv premaz. To je osnovna metoda, ki jo uporabljajo tudi tovarne čipov.

Avtorji postopek opisujejo kot združljiv z izdelavo po tehnologiji CMOS, proizvodnim tokom, na katerem temelji skoraj vsa digitalna elektronika. Po njihovem opisu so koraki zasnovani tako, da jih je mogoče vključiti ob običajno izdelavo silicijevih komponent. Izvedli so jih na rezini s premerom približno 100 mm (Nature Communications), kar v povzetku raziskave ponavlja tudi Semiconductor Engineering (Semiconductor Engineering).

Gre za prikaz izdelave na ravni rezine. Za presojo pripravljenosti na serijsko proizvodnjo bi bili potrebni podatki o izkoristku in odstopanjih, objavljeni povzetek pa jih ne navaja; tudi javno dostopni podatki ne potrjujejo, da so bili tranzistorji povezani v vezja. Ločena raziskava na večjih 300-milimetrskih rezinah, pri kateri so uporabili daljše naprave iz MoS₂ in WS₂, kaže, kaj vključuje naslednja razvojna stopnja. Dosegla je približno 95–99-odstotni izkoristek, vendar je še vedno pokazala velik kontaktni upor, torej električne izgube na mestu, kjer kovinske povezave pridejo v stik z atomsko tanko plastjo, pa tudi razlike med posameznimi rezinami (300-mm study).

Ta recenzirana raziskava kaže, da je mogoče kanale iz MoS₂, krajše od petih nanometrov, in fotolitografijo na ravni rezine združiti v enem postopku (Nature Communications). O izkoristku in odstopanjih med posameznimi napravami bo odvisno, ali lahko ta postopek postane proizvodna platforma.