তাইওয়ানের ন্যাশনাল ইয়াং মিং চিয়াও টুং ইউনিভার্সিটি (NYCU) এবং TSMC কর্পোরেট রিসার্চের গবেষকরা ০.৪২ ন্যানোমিটার (nm) পুরু একটি ইন্টারফেস তৈরি করেছেন যা পরবর্তী প্রজন্মের ট্রানজিস্টরগুলোর একটি প্রধান বাধা দূর করে।

MoS2 ট্রানজিস্টর সমস্যার সমাধান

এক দশকেরও বেশি সময় ধরে শিল্পজগৎ সিলিকনের উত্তরসূরি হিসেবে পারমাণবিক স্তরে পাতলা মলিবডেনাম ডিসালফাইড (MoS2)-এর দিকে নজর রাখছে। এর পাতলা গঠন ছোট, দ্রুততর এবং অধিক শক্তি-সাশ্রয়ী ট্রানজিস্টর তৈরির প্রতিশ্রুতি দেয়। তবুও "গেট ডাই-ইলেকট্রিক" (gate dielectric) সমস্যাটি অগ্রগতিকে বাধাগ্রস্ত করে আসছে। যখন ইনসুলেটিং বা অন্তরক স্তরটি পাতলা হয়ে যায়, তখন সেমিকন্ডাক্টরের সাথে এর সীমানা বা বাউন্ডারি অস্থিতিশীল হয়ে পড়ে, যা ত্রুটি, ফাঁক এবং বৈদ্যুতিক বিশৃঙ্খলা সৃষ্টি করে যা পারফরম্যান্সকে ক্ষতিগ্রস্ত করে। গবেষকরা সাধারণত নতুন ইনসুলেটর বা অন্তরক খুঁজছেন; কিন্তু NYCU-TSMC দল পরিবর্তে সীমানা বা বাউন্ডারিটিকেই নতুনভাবে প্রকৌশল (re-engineered) করেছে।

০.৪২-ন্যানোমিটার উদ্ভাবন

Nature Electronics-এ প্রকাশিত একটি গবেষণাপত্রে দলটি একটি লেয়ারিং প্রক্রিয়ার বর্ণনা দিয়েছে যা পারমাণবিক রূপান্তরকে (atomic transition) মসৃণ করে। তারা একটি মনলেয়ার (monolayer) MoS2 ওয়েফার দিয়ে শুরু করে, একটি এপিট্যাক্সিয়াল অ্যালুমিনিয়াম ফিল্ম স্থাপন করে এবং সেখানেই এটিকে অক্সিডাইজ করে মাত্র ০.৪২ ন্যানোমিটার পুরু একটি অ্যালুমিনিয়াম-অক্সাইড বাফার তৈরি করে। এই বাফারটি দুটি কাজ করে: এটি একটি উচ্চ-κ (high-κ) হাফনিয়াম-অক্সাইড গেট ডাই-ইলেকট্রিককে সুষমভাবে বৃদ্ধি করার জন্য একটি মসৃণ ভিত্তি প্রদান করে এবং এটি সেমিকন্ডাক্টরকে অনাকাঙ্ক্ষিত বৈদ্যুতিক মিথস্ক্রিয়া থেকে রক্ষা করে। এর ফলে তৈরি হওয়া ট্রানজিস্টরগুলোতে প্রায় এক ন্যানোমিটারের সমতুল্য অক্সাইড পুরুত্ব, নিম্ন লিকেজ কারেন্ট এবং প্রায় কোনো হিস্টেরেসিস (hysteresis) দেখা যায় না, ফলে ডিভাইসটি সংকেতের প্রতি অনুমানযোগ্যভাবে প্রতিক্রিয়া দেখায়।

ওয়েফার-স্কেল ম্যানুফ্যাকচারিংয়ের দিকে অগ্রসর হওয়া

অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণভাবে, গবেষকরা কেমিক্যাল ভেপার ডিপোজিশন (CVD) ব্যবহার করে মনলেয়ার MoS2 তৈরি করেছেন, যা বড় এলাকা আবৃত করার জন্য শিল্প-মানদণ্ড হিসেবে স্বীকৃত একটি পদ্ধতি। CVD-তে উৎপাদিত উপাদানের ওপর পারমাণবিক ইন্টারফেস প্রদর্শন করা টু-ডাইমেনশনাল (2D) ইলেকট্রনিক্সকে বাস্তব জগতের ওয়েফার-স্কেল উৎপাদনের দিকে এগিয়ে নিয়ে যাচ্ছে। "নতুন উপাদান খোঁজা" থেকে "ইন্টারফেস প্রকৌশল" করার এই পরিবর্তন ভবিষ্যতের মাইক্রোচিপের ডিজাইন প্যারাডাইম বা নকশা পদ্ধতিকে বদলে দিচ্ছে।

ভারতের জন্য এর গুরুত্ব

এই যুগান্তকারী আবিষ্কারটি ভারতের সেমিকন্ডাক্টর মিশন এবং কৌশলগত স্বায়ত্তশাসনের জন্য অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ।

  • প্রযুক্তিগত মানদণ্ড (Technological Benchmarking): ভারতের ইন্ডিয়া সেমিকন্ডাক্টর মিশন (ISM)-কে সিলিকন থেকে MoS2-এর মতো 2D উপাদানে উত্তরণের বিষয়টি পর্যবেক্ষণ করতে হবে। গবেষণা ও উন্নয়নকে (R&D) ইন্টারফেস-কেন্দ্রিক প্রকৌশলের সাথে সমন্বয় করলে ভারতীয় ল্যাবগুলো পিছিয়ে পড়বে না।
  • সরবরাহ শৃঙ্খল এবং কৌশলগত নির্ভরতা: উচ্চমানের সেমিকন্ডাক্টরের ক্ষেত্রে তাইওয়ানের আধিপত্য আরও গভীর হচ্ছে। ভারতের কেবল অ্যাসেম্বলি এবং টেস্টিং (OSAT) সক্ষমতার চেয়েও বেশি কিছু প্রয়োজন; পরবর্তী প্রজন্মের পদার্থ বিজ্ঞানে প্রতিযোগিতা করতে সক্ষম এমন ডিপ-টেক (deep-tech) গবেষণাকে লালন করতে হবে।
  • ডিজিটাল অবকাঠামোকে ভবিষ্যৎ-উপযোগী করা: ভারত যখন এআই (AI) এবং হাই-পারফরম্যান্স কম্পিউটিং সম্প্রসারিত করছে, তখন শক্তি-সাশ্রয়ী চিপের চাহিদা বহুগুণ বেড়ে যাবে। MoS2 ট্রানজিস্টরের অগ্রগতি পর্যবেক্ষণ করা ভারতকে হার্ডওয়্যার পরিকল্পনা করতে এবং সিলিকন-পরবর্তী যুগে ডিজিটাল সার্বভৌমত্ব রক্ষা করতে সাহায্য করবে।

TSMC এবং ন্যাশনাল ইয়াং-মিং চিয়াও-তুং ইউনিভার্সিটি ০.৪২ ন্যানোমিটারের একটি পারমাণবিক-স্কেল ইন্টারফেস তৈরি করেছে যা MoS₂ ট্রানজিস্টরের গেট-ডাই-ইলেকট্রিক বাধা দূর করে; এটি এমন একটি পদক্ষেপ যা টু-ডাইমেনশনাল (2D) চিপকে ওয়েফার-স্কেল উৎপাদনের দিকে নিয়ে যেতে পারে। এই যুগান্তকারী আবিষ্কারটি গুরুত্বপূর্ণ কারণ এটি গতি, আকার এবং শক্তি সাশ্রয়ী হওয়ার ক্ষেত্রে সিলিকনের সাথে প্রতিযোগিতা করতে বাধা প্রদানকারী শেষ বড় বাধাটি দূর করেছে।

গেট-ডাই-ইলেকট্রিক সমস্যা যা 2D চিপের অগ্রগতি থামিয়ে দিয়েছিল

এক দশকেরও বেশি সময় ধরে MoS₂—একটি একক-পরমাণু পুরু সেমিকন্ডাক্টর—সিলিকনের উত্তরসূরি হিসেবে পরিচিত ছিল। এর পাতলা গঠন দ্রুত সুইচিং এবং কম লিকেজের প্রতিশ্রুতি দেয়। কিন্তু যখন নির্মাতারা ট্রানজিস্টর নিয়ন্ত্রণকারী ইনসুলেটিং "গেট ডাই-ইলেকট্রিক" ছোট করার চেষ্টা করেন, তখন সেই প্রতিশ্রুতি ফিকে হয়ে যায়। সেই স্তরটি পাতলা হওয়ার সাথে সাথে MoS₂ ক্রিস্টালের সাথে এর সীমানা ত্রুটিপূর্ণ হয়ে পড়ে, যা বৈদ্যুতিক বিশৃঙ্খলা এবং অননুমেয় আচরণ সৃষ্টি করে। শিল্পজগৎ নতুন ইনসুলেটর খুঁজলেও, পরমাণু-স্তরের পাতলা চ্যানেলের ওপর কোনোটিই একটি পরিষ্কার ও সুষম ইন্টারফেস তৈরি করতে পারেনি।

একটি পারমাণবিক বাফার যা রূপান্তরকে মসৃণ করে

দলটি কৌশল পরিবর্তন করেছে: একটি উন্নত ইনসুলেটর খোঁজার পরিবর্তে তারা ইন্টারফেসটিকে নতুনভাবে প্রকৌশল করেছে। CVD-তে উৎপাদিত MoS₂-এর একটি মনলেয়ার দিয়ে শুরু করে, তারা একটি এপিট্যাক্সিয়াল অ্যালুমিনিয়াম ফিল্ম স্থাপন করে এবং সেখানেই এটিকে অক্সিডাইজ করে ০.৪২ ন্যানোমিটারের একটি অ্যালুমিনিয়াম-অক্সাইড বাফার তৈরি করে। এই অতি-পাতলা স্তরটি দুটি কাজ করে। প্রথমত, এটি একটি উচ্চ-κ (high-κ) হাফনিয়াম-অক্সাইড গেট ডাই-ইলেকট্রিককে সুষমভাবে বৃদ্ধি করার জন্য একটি মসৃণ ও রাসায়নিকভাবে সামঞ্জস্যপূর্ণ পৃষ্ঠ তৈরি করে। দ্বিতীয়ত, এটি ডাই-ইলেকট্রিকের সাথে সরাসরি বৈদ্যুতিক মিথস্ক্রিয়া থেকে MoS₂ চ্যানেলকে রক্ষা করে, যা পূর্ববর্তী প্রচেষ্টায় ত্রুটি সৃষ্টির কারণ ছিল।

এই স্ট্যাকটি প্রায় এক ন্যানোমিটারের সমতুল্য অক্সাইড পুরুত্ব অর্জন করেছে, পাশাপাশি লিকেজ কারেন্টকে সর্বনিম্ন পর্যায়ে রেখেছে এবং হিস্টেরেসিস (hysteresis) দূর করেছে, যা সিগন্যাল রেসপন্স বা সংকেতের প্রতিক্রিয়াকে বিকৃত করে। সংক্ষেপে, ট্রানজিস্টরটি পুরো ভোল্টেজ রেঞ্জ জুড়ে অনুমানযোগ্যভাবে কাজ করেছে।

ল্যাবরেটরি ফ্লেক থেকে ওয়েফার-স্কেল প্রতিশ্রুতি

এই গবেষণার বিশেষত্ব হলো MoS₂ স্তর বৃদ্ধির জন্য CVD-এর ব্যবহার। বড় সাবস্ট্রেটের ওপর সুষম ফিল্ম বা স্তর জমা দেওয়ার জন্য CVD একটি অত্যন্ত কার্যকর কৌশল, যা বর্তমানের সিলিকন ফ্যাবগুলোতেও ব্যবহৃত হয়। CVD-তে উৎপাদিত উপাদানের ওপর পারমাণবিক ইন্টারফেস প্রদর্শন করা প্রমাণ করে যে, তাত্ত্বিকভাবে এই প্রক্রিয়াটি বিচ্ছিন্ন চিপ থেকে পূর্ণাঙ্গ ওয়েফার পর্যন্ত বিস্তৃত করা সম্ভব।

গবেষকরা স্ট্যান্ডার্ড এপিট্যাক্সিয়াল গ্রোথ এবং অক্সিডেশন ধাপগুলোও ব্যবহার করেছেন যা বিদ্যমান ফ্যাব টুলকিটের মধ্যেই পড়ে। কোনো শীর্ষস্থানীয় ফাউন্ড্রিতে ইতিমধ্যে যা রয়েছে, তার বাইরে কোনো অপ্রচলিত সরঞ্জাম বা আল্ট্রা-হাই-ভ্যাকুয়াম চেম্বারের প্রয়োজন নেই। এই সামঞ্জস্যতা TSMC-এর মতো ফাউন্ড্রিগুলোর জন্য তাদের প্রোডাকশন লাইনে এই পদ্ধতিটি অন্তর্ভুক্ত করার বাধা কমিয়ে দেয়।

তাইওয়ানের বাইরে কেন এই যুগান্তকারী সাফল্য গুরুত্বপূর্ণ

এই অর্জনটি যে কোনো জাতির জন্য একটি স্পষ্ট সংকেত প্রদান করে যারা একটি ভবিষ্যৎ-সুরক্ষিত সেমিকন্ডাক্টর ইকোসিস্টেম তৈরি করছে। ভারতের মতো দেশগুলোর জন্য, যারা একটি দেশীয় সেমিকন্ডাক্টর মিশনে প্রচুর বিনিয়োগ করছে, এই কাজ একটি নতুন মানদণ্ড নির্ধারণ করে দেয়: সাফল্য এখন কেবল সিলিকন নোড স্কেলিংয়ের ওপর নয়, বরং পারমাণবিক স্তরে ইন্টারফেস ইঞ্জিনিয়ারিংয়ে দক্ষতা অর্জনের ওপর ক্রমবর্ধমানভাবে নির্ভর করবে।

  • প্রযুক্তিগত সামঞ্জস্য (Technology alignment) – যে সকল R&D প্রোগ্রাম ইন্টারফেসের গুণমান উন্নত না করে কেবল বাল্ক ম্যাটেরিয়াল বা সামগ্রিক উপাদানের উন্নতির পেছনে ছুটছে, তাদের পিছিয়ে পড়ার ঝুঁকি রয়েছে।
  • সরবরাহ-শৃঙ্খল প্রাসঙ্গিকতা (Supply-chain relevance) – এই প্রক্রিয়াটি অ্যালুমিনিয়াম, হাফনিয়াম এবং স্ট্যান্ডার্ড অক্সিডেশন ধাপের ওপর নির্ভরশীল, যা তাইওয়ানের ডিপ-টেক (deep-tech) সুবিধাকে আরও শক্তিশালী করে এবং একই সাথে বৈচিত্র্যময় উপাদানের উৎসের প্রয়োজনীয়তাকেও তুলে ধরে।