ساخت کوچکترین گیت ترازیستور جهان توسط چینی‌ها

قانون را به خاطر دارید؟ همان قانونی که دلالت بر تعداد ترازیستورهای روی یک تراشه با مساحت ثابت هر ۲ سال، به‌طور تقریبی دو برابر می‌شود. این قانون چند سالی است که از معنا و مفهوم خود خارج شده و در واقع دیگر تایید نمی‌شد اما گروهی از دانشمندان چینی موفق به تولید کوچکترین گیت ترازیستور جهان شدند و امیدها را برای زنده نگه داشتن این قانون، زنده کردند.

• ترانزیستورهای نازک اتمی با ضخامت 100 نانومتر – تولید پوست الکترونیکی
• 140 میلیارد ترانزیستور درون چیپ Nvidia Hopper – بزرگ‌ترین و عظیم‌ترین

جزئیات ساخت کوچکترین گیت ترازیستور جهان

برای چندین دهه، دانشمندان و مهندسان، ترانزیستورها را به حدی کوچک کردند که برخی از آن‌ها فقط از ده‌ها اتم تشکیل شده است. از زمان تولید اولین مدارهای مجتمع در دهه 1950، سرعت پیشرفت در کوچک سازی ترانزیستورها از قانون مور پیروی می‌کند که پیش بینی می کرد چگالی اجزای فعال در تراشه‌های مجتمع هر دو سال یکبار دو برابر می‌شود. همانطور که بسیاری از خوانندگان ما می‌دانند، در سال‌های اخیر این قانون دلالت خود را از دست داده بود. دلیل اصلی آن هم این است که ما به محدودیت‌های فیزیکی همچون مواد موجود در این ترانزیستورها و پیشرفته‌ترین فرآیندهای تولیدی که در اختیار داریم، نزدیک شده‌ایم.

در واقع ما نمی‌توانیم گیت‌های ترانزیستوری (که وظیفه‌ی تخلیه جریان از منبع را بر عهده دارند) بسیار کوچک‌تر از 5 نانومتر بسازیم، زیرا چیزی به نام تونل‌سازی کوانتومی مانع از کارکرد آن‌ها به صورت مورد نظر می‌شود. ممکن است موادی مانند گرافن و نانولوله‌های کربنی برای کوچک‌تر کردن ترانزیستورها (به دلیل خواص فیزیکی‌شان) حیاتی باشند، اما رسیدن از آنجا به ساخت دستگاه‌های کاربردی که بتوانند از این تراشه‌ها استفاده کنند، مدتی طول می‌کشد.

حال محققان چینی با انتشار مقاله‌ای توضیح دادند که موفق به تولید ترانزیستوری با کمترین ابعاد گیتی که تاکنون گزارش شده است، شده‌اند. این دستاورد فوق‌العاده با استفاده خلاقانه از مواد گرافن و دی سولفید مولیبدن و چیدن آنها در یک ساختار پلکانی (با دو پله) ممکن شد. در این ساختار جدید، منبع در پله بالاتر و در بالای پله پایین، گیت تخلیه قرار گرفته است. هر دوی این پله‌ها از یک آلیاژ پالادیوم تیتانیوم ساخته شده‌اند که توسط سطح پله‌ها از هم جدا می‌شوند و خود این پله‌ها هم که از یک ورقه تشکیل شده از یک ماده نیمه هادی به نام دی سولفید مولیبدن ساخته شده است که خود بر روی لایه‌ای از دی اکسید هافنیوم قرار دارد که به عنوان یک عایق الکتریکی عمل می‌کند.

فضای داخلی پله بالاتر همانند یک ساندویچ آلومینیومی است که با اکسید آلومینیوم (که روی یک ورقه گرافن با یک لایه منفرد از اتم‌های کربن قرار دارد) پوشانده شده است. اکسید آلومینیوم به عنوان یک عایق الکتریکی عمل می‌کند (البته به جز یک شکاف کوچک در دیواره عمودی پله بالاتر، جایی که ورق گرافن اجازه تماس با دی سولفید مولیبدن را دارد) . کل ساختار راه پله بر روی یک لایه ضخیم از دی اکسید سیلیکون قرار دارد.

نکته‌ی جالب روش دانشمندان چینی این است که از لبه ورقه گرافن برای تولید گیت‌ها استفاده شده است، به این معنی که وقتی گیت مورد نظر ما در حالت “روشن” قرار می‌گیرد، عرض آن تنها 0.34 نانومتر است که اساساً عرض خود لایه گرافن است. یکی دیگر از ویژگی های قابل توجه این “ترانزیستور دیوار جانبی” نشتی ناچیز جریان آن به دلیل مقاومت بالاتر در حالت خاموش است. تولیدکنندگان می‌توانند از این کیفیت برای ساخت محصولات کم مصرف استفاده کنند. بهترین فایده‌ی این روش، ساختن نسبتاً آسان آن است (اگرچه بسیاری از نمونه‌های اولیه برای درایو به ولتاژ کمی نیاز داشتند). Tsinghua Tian-Ling Ren (محقق دانشگاه) یکی از نویسندگان این مقاله بود و گفت که این دستاورد ما می‌تواند “آخرین گره برای قانون مور” باشد.

او همچنین معتقد است که ابعاد کوچکتر از 0.34 نانومتر برای اندازه دروازه تقریبا غیرممکن است. البته باید این نکته را هم در نظر داشته باشید که محققان چینی فقط ثابت کردند که می‌توان یک ترانزیستور کاربردی با استفاده از مواد نازک یک اتمی بدون ابداع فرآیند جدیدی برای تعیین موقعیت دقیق لایه‌های مورد نیاز ساخت. بشر برای ساخت میلیاردها ترانزیستور (به روش دانشمندان چینی) راه درازی در پیش دارد اما همین مقاله نیز گامی حیاتی در آغاز این مسیر است که امید به تولید دستگاه‌های سریع‌تر و کارآمدتر در آینده را تقویت می‌کند. در همین حال، سامسونگ، اینتل و TSMC سخت در حال کار بر روی ساخت ترانزیستورهای گیت همه جانبه (GAA-FET) و استانداردسازی اتصالات داخلی برای طراحی چیپلت هستند.