پژوهشگران دانشگاه ملی یانگ مینگ جیائو تونگ (NYCU) تایوان و بخش تحقیقات شرکتی TSMC، یک رابط با ضخامت ۰.۴۲ نانومتر ساختهاند که گلوگاه اصلی در ترانزیستورهای نسل آینده را از میان برمیدارد.
حل معمای ترانزیستور MoS2
بیش از یک دهه است که صنعت نیمهرسانا، دیسولفید مولیبدن (MoS2) با ضخامت اتمی را به عنوان جانشین سیلیکون زیر نظر دارد. نازکی آن نویدبخش ترانزیستورهای کوچکتر، سریعتر و با بهرهوری انرژی بالاتر است. با این حال، مشکل «دیالکتریک گیت» مانع پیشرفت شده است. وقتی لایه عایق نازک میشود، مرز با نیمهرسانا ناپایدار شده و باعث ایجاد نقصها، شکافها و بینظمیهای الکتریکی میشود که عملکرد را مختل میکند. پژوهشگران معمولاً به دنبال عایقهای جدید هستند؛ اما تیم NYCU-TSMC در عوض خودِ مرز را بازطراحی کرد.
نوآوری ۰.۴۲ نانومتری
این تیم در مقالهای در نشریه Nature Electronics، فرآیند لایهگذاریای را شرح میدهد که انتقال اتمی را هموار میکند. آنها با یک ویفر تکلایه MoS2 شروع کردند، یک لایه نازک آلومینیوم اپیتکسیال (epitaxial) روی آن نشانده و سپس آن را در همان محل اکسید کردند که منجر به ایجاد یک بافر اکسید آلومینیوم تنها به ضخامت ۰.۴۲ نانومتر شد. این بافر دو کار انجام میدهد: اول، بستری هموار برای رشد یکنواخت دیالکتریک گیت از جنس اکسید هافنیوم با ثابت دیالکتریک بالا (high-κ) فراهم میکند، و دوم، نیمهرسانا را از برهمکنشهای الکتریکی ناخواسته محافظت میکند. ترانزیستورهای حاصل، ضخامت اکسید معادل حدود یک نانومتر، جریان نشتی کم و تقریباً بدون هیسترزیس (hysteresis) را نشان میدهند، بنابراین دستگاه به سیگنالها به شکلی قابل پیشبینی پاسخ میدهد.
حرکت به سوی تولید در مقیاس ویفر
نکته حیاتی این است که پژوهشگران تکلایه MoS2 را با استفاده از روش رسوب شیمیایی بخار (CVD)، که روش استاندارد صنعت برای پوششدهی سطوح وسیع است، رشد دادند. نمایش رابط اتمی بر روی مواد رشدیافته به روش CVD، الکترونیک دوبعدی (2D) را به سمت تولید واقعی در مقیاس ویفر سوق میدهد. تغییر رویکرد از «یافتن مواد جدید» به «مهندسی رابطها»، پارادایم طراحی ریزتراشههای آینده را دگرگون میکند.
این موضوع برای هند چه معنایی دارد
این پیشرفت برای مأموریت نیمهرسانای هند و خودمختاری استراتژیک این کشور اهمیت زیادی دارد.
- الگوبرداری تکنولوژیک: مأموریت نیمهرسانای هند (ISM) باید روند گذار از سیلیکون به مواد دوبعدی مانند MoS2 را دنبال کند. همسو کردن تحقیق و توسعه (R&D) با مهندسیِ رابطمحور، از عقب ماندن آزمایشگاههای هند جلوگیری خواهد کرد.
- زنجیره تأمین و وابستگی استراتژیک: تسلط تایوان بر نیمهرساناهای سطح بالا عمیقتر میشود. هند به چیزی فراتر از قابلیتهای مونتاژ و تست (OSAT) نیاز دارد؛ این کشور باید تحقیقات فناوریهای عمیق (deep-tech) را پرورش دهد که بتواند در علم مواد نسل آینده رقابت کند.
- تضمین آینده زیرساختهای دیجیتال: با گسترش هوش مصنوعی و محاسبات با عملکرد بالا در هند، تقاضا برای تراشههای کممصرف به شدت افزایش خواهد یافت. نظارت بر پیشرفتهای ترانزیستور MoS2 به هند کمک میکند تا نیازهای سختافزاری خود را برنامهریزی کرده و حاکمیت دیجیتال خود را در عصر پس از سیلیکون حفظ کند.
شرکت TSMC و دانشگاه ملی یانگ مینگ جیائو تونگ یک رابط در مقیاس اتمی با ضخامت ۰.۴۲ نانومتر مهندسی کردهاند که گلوگاه دیالکتریک گیت را در ترانزیستورهای MoS₂ از بین میبرد؛ گامی که میتواند تراشههای دوبعدی (2D) را به مرحله تولید در مقیاس ویفر برساند. این پیشرفت از این جهت حائز اهمیت است که آخرین مانع بزرگ در برابر رقابت مواد با ضخامت اتمی با سیلیکون در زمینههای سرعت، اندازه و بهرهوری توان را برمیدارد.
مشکل دیالکتریک گیت که مانع پیشرفت تراشههای دوبعدی شده بود
بیش از یک دهه است که MoS₂ — یک نیمهرسانای به ضخامت یک اتم — به عنوان جانشین سیلیکون معرفی شده است. نازکی آن نویدبخش سوئیچینگ سریعتر و نشتی کمتر است. اما این نوید زمانی از بین رفت که تولیدکنندگان سعی کردند «دیالکتریک گیت» عایق را که ترانزیستور را کنترل میکند، کوچکتر کنند. با نازکتر شدن آن لایه، مرز با کریستال MoS₂ پر از نقص شد و باعث ایجاد بینظمی الکتریکی و رفتارهای غیرقابل پیشبینی گردید. صنعت به دنبال عایقهای جدید بود، اما هیچکدام نتوانستند یک رابط تمیز و یکنواخت بر روی یک کانال با ضخامت اتمی ایجاد کنند.
یک بافر اتمی که انتقال را هموار میکند
این تیم رویکرد را تغییر داد: آنها به جای جستجوی یک عایق بهتر، رابط را بازطراحی کردند. با شروع از یک تکلایه MoS₂ رشدیافته به روش CVD، یک لایه نازک آلومینیوم اپیتکسیال روی آن نشانده و آن را در همان محل اکسید کردند که منجر به تولید یک بافر اکسید آلومینیوم ۰.۴۲ نانومتری شد. این لایه فوقنازک دو کار انجام میدهد: نخست، یک سطح هموار و از نظر شیمیایی سازگار برای رشد یکنواخت دیالکتریک گیت از جنس اکسید هافنیوم با ثابت دیالکتریک بالا (high-κ) ایجاد میکند. دوم، کانال MoS₂ را از برهمکنش الکتریکی مستقیم با دیالکتریک محافظت کرده و از تشکیل نقصهایی که در تلاشهای قبلی وجود داشت، جلوگیری میکند.
این ساختار به ضخامت اکسید معادل تقریباً یک نانومتر دست یافت، در حالی که جریانهای نشتی را در پایینترین سطح طیف نگه داشته و هیسترزیس (تأخیری که پاسخ سیگنال را دچار اعوجاج میکند) را از بین برد. بهطور خلاصه، ترانزیستور در تمام محدوده ولتاژ، رفتاری قابل پیشبینی داشت.
از ورقههای آزمایشگاهی تا نوید مقیاس ویفر
آنچه این پژوهش را متمایز میکند، استفاده از CVD برای رشد لایه MoS₂ است. CVD تکنیکی پرکاربرد برای لایهنشانی فیلمهای یکنواخت بر روی زیرلایههای بزرگ است؛ همان روشی که امروزه در کارخانههای تولید سیلیکون (fabs) استفاده میشود. نمایش رابط اتمی بر روی مواد رشدیافته به روش CVD نشان میدهد که این فرآیند، در اصل، میتواند از تراشههای مجزا فراتر رفته و به مقیاس ویفرهای کامل برسد.
محققان همچنین از مراحل استاندارد رشد اپیتکسیال و اکسیداسیون استفاده کردند که با مجموعهابزارهای موجود در کارخانههای تولید (fab) سازگاری دارد. به تجهیزات غیرمتعارف یا اتاقهای خلاء بسیار بالا، فراتر از آنچه یک کارخانه تولید پیشرو در حال حاضر دارد، نیازی نیست. این سازگاری، مانعِ ادغام این روش در خطوط تولید کارخانههایی مانند TSMC را کاهش میدهد.
چرا این پیشرفت فراتر از تایوان اهمیت دارد
این دستاورد سیگنال روشنی به هر کشوری که در حال ساخت یک اکوسیستم نیمهرسانای آیندهنگرانه است، ارسال میکند. برای کشورهایی مانند هند که سرمایهگذاری سنگینی روی ماموریت نیمهرسانای داخلی خود انجام میدهند، این پژوهش معیار جدیدی را تعریف میکند: موفقیت بهطور فزایندهای به تسلط بر مهندسی رابط در سطح اتمی بستگی خواهد داشت، نه صرفاً به مقیاسبندی گرههای سیلیکونی.
- همسویی فناوری – برنامههای تحقیق و توسعه (R&D) که بدون توجه به کیفیت رابط، همچنان به دنبال بهبود مواد تودهای (bulk) هستند، با خطر عقب ماندن مواجهاند.
- ارتباط با زنجیره تأمین – این فرآیند بر آلومینیوم، هافنیوم و مراحل استاندارد اکسیداسیون متکی است که ضمن تقویت مزیت فناوریهای عمیق (deep-tech) تایوان، نیاز به منابع مواد متنوع را نیز برجسته میکند.