ساخت کوچکترین ترانزیستور دنیا با کیت 1 نانومتری

محققین آزمایشگاه تحقیقاتی برکلی موفق به ساخت کوچکترین ترانزیستور دنیا با گیت 1 نانومتری شدند

یک تیم تحقیقاتی در دپارتمان انرژی واقع در آزمایشگاه ملی شهر برکلی ایالات متحده موفق به ترانزیستوری شدند که قطر اتصال گیت آن تنها 1 نانومتر است. این تیم که تحت هدایت پروفسور علی جاوِی فعالیت می‌کند موفق شده با ساخت این ترانزیستور قدم به ماورای قانون مور گذاشته و از محدودیت های موجود در ساخت ترانزیستورهای امروز عبور کرده و به این ترتیب کوچکترین ترانزیستور ساخته شده تا به امروز به دست بشر را ابداع نماید.

در همین زمینه آقای سوجای دیسای از اعضای این تیم در مورد پروژه پیش رو اینگونه نظر داده اند:

به مدت مدیدی صنعت نیمه هادی ها در این تصور بوده است که 5 نانومتر دیوار بلندی است که به هیچ عنوان نمی‌توان از آن رد شد و ترانزیستورهای با گیت کوچکتر از آن ساخت و حتی اگر شما موفق به این کار هم شدید باید بدانید که این ترانزیستورها کار نخواهند کرد و بهینه نخواهند بود.

البته باید این را هم بگوییم که در این تیم تحقیقاتی علاوه بر پروفسور جاوِی و سوجای دیسای، جف بوکور، چنمینگ هو، مون کیم و فیلیپ وانگ نیز حضور دارند. طی سالیان اخیر به نظر این مانع بزرگ کمی لرزان و شکننده شده بود که امروز ما در جریان این خبر به شما می‌گوییم که دیگر این سد بزرگ شکسته شده و با اختراع حاضر می‌توانیم بگوییم که به لطف استفاده از ماده ای با فرمول دی سولفید مولیبدنیوم (MoS2) به همراه نانو تیوب های کربنی می‌توان به خیلی کوچکتر از این عدد رسید؛ بله دوستان، گرافن باز هم راه گشای یکی از بزرگترین مشکلات بشر خواهد بود. همانطور که طی سال گذشته محققین شرکت IBM در مقاله ای در مورد مزایای استفاده از این دو ماده به همراه هم و به صورت جداگانه صحبت کرده اند و پایه گذار مبحثی با عنوان “آینده پس از سیلیکون” شده اند، دستاورد محققین آزمایشگاه برکلی نیز پایه ای بر صنایع آینده خواهد بود که محدودیت های نسل های قبل را کنار می‌زنند.

پروفسور جاوی در کنار سوجای دسای

به صورت عادی پیامد های ساخت ترانزیستورهای کوچکتر در همه ی ابعاد زندگی ما تأثیر گذار خواهد بود به نحوی که دستگاه های هوشمند الکترونیکی پیرامون ما تا حد بسیار بیشتری اجازه خواهند داشت که کوچکتر و مجتمع تر بشوند و با این اوصاف می‌توان ابزارهایی داشت که کارهای بسیاری از دستگاه هایی که ما به همراه داریم را به صورت مستقل و به تنهایی انجام دهند. در حال حاضر بیشتر دستگاه های پیرامون ما با لیتوگرافی متوسط 20 نانومتری و یا بزرگتر از آن ساخته می‌شوند و با پیشرفت این حوزه این عدد می‌تواند به مراتب کوچکتر شود.

اما حالا سری به راهکاری موجود بزنیم که محققین آزمایشگاه برکلی با استفاده از آن توانسته اند این رکورد را ثبت کنند. به صورت کلی استفاده از سیلیکون به تنهایی برای ابعاد زیر 5 نانومتر باعث بروز پیده ای می‌شود که کنترل شارش الکترون ها توسط گیت در طولِ کانالِ انتقالِ بسترِ پایه بسیار سخت و شاید غیر ممکن می‌شود (به مفهوم فیزیکی نمی‌توان میدان الکتریکی ایجاد کرد که بتواند حرکت الکترون ها در کانال را مسدود نماید)؛ به عبارت ساده تر باید بگوییم که در این حالت نمی‌توان ترانزیستور را بعد از روشن شدن، خاموش کرد.

با توجه به مباحثی که در مکانیک کوانتومی به Tunelling معروف است، اگر ما به بستر پایه ترانزیستور، عنصر مولیبدنیوم اضافه کنیم، حالتی مانند استفاده از روغن موتور ایجاد شده و الکترون هایی که حالا سنگین تر شده اند می‌توانند با گیت های با طول به مراتب کوچکتر کنترل شده و باز هم اگر بخواهیم به زبان ساده بگوییم، می‌توان ترانزیستور را خاموش کرد و مشکل ترانزیستورهای سیلیکونی در این ابعاد کوچک را رفع نمود. علاوه بر این از مزایای استفاده از MoS2 است که می‌توان آن را به صورت ورقه های در ابعاد اتمی بسیار ریز و در حدود 0.65 نانومتر ساخت که در نهایت می‌توان ترانزیستور هایی با دقت بیشتر و ابعاد کوچکتر را تولید نمود.

در حال حاضر با استفاده از روش های لیتوگرافی معمول، نمی‌توان ساختارهای به ابعاد  ریزی مانند 1 نانومتر تولید کرد. به همین خاطر محققان از کربن که می‌تواند منظم ترین ساختار های اتمی را به وجود آورد استفاده کرده اند تا بتوانند تیوب های با سیلندرهای توخالی ایجاد کنند که ابعاد آنها به 1 نانومتر برسد (دقیقاً به همین خاطر است که به این ساختار نانوتیوب های کربنی می‌گویند). پس با توجه به این توضیحات حالا می‌توانیم ترانزیستور مورد نظر خود را شکل دهیم، ترانزیستور اثر میدانی (Filed Effect Transistor) که گیت آن با نانو لوله های کربنی یا همان گرافن ساخته شده و برای کانال های نیمه هادی از دی سولفید مولیبدنیوم در آن استفاده شده است و در عین حال ابعاد گیت ترانزیستور ما 1 نانومتر است و می‌توانیم بستر پایه ترانزیستور را با استفاده از MoS2 به راحتی طراحی کرده و بسازیم. البته در این حالت از دی‌اکسید زیرکونیوم یا همان ZrO2 نیز به عنوان دیگر رسانای یونی در این ساختار استفاده خواهد شد.

البته هفته قبل شرکت TSMC به عنوان بزرگترین تولید کننده چیپ های نیمه هادی دنیا نیز اعلام کرد که پروژه های تحقیق و توسعه خود را برای رسیدن به فرآیند ساخت قطعات با لیتوگرافی 3 نانومتری آغاز کرده است و واحدی دیگر در داخل این گروه نیز به توسعه روش هایی برای رسیدن به فرآیند ساخت صنعتی ترانزیستورها با لیتوگرافی 1 نانومتری رسیده است. با توجه به این مورد می‌توانیم بسیار امیدوار باشیم که در آینده ای نزدیک این ایده ها تحقق یافته و دستگاه هایی داشته باشیم که چیپ های آنها با این لیتوگرافی ها ساخته و روانه بازار شوند.