તાઇવાનની National Yang Ming Chiao Tung University (NYCU) અને TSMC Corporate Research ના સંશોધકોએ 0.42 nm જાડાઈનું એક ઇન્ટરફેસ બનાવ્યું છે જે આગામી પેઢીના ટ્રાન્ઝિસ્ટરમાં રહેલી મુખ્ય અવરોધક સમસ્યા (bottleneck) ને દૂર કરે છે.
MoS2 ટ્રાન્ઝિસ્ટરની મૂંઝવણનો ઉકેલ
એક દાયકાથી વધુ સમયથી ઉદ્યોગ એટોમિક સ્તરે પાતળા Molybdenum Disulfide (MoS2) ને સિલિકોનના ઉત્તરાધિકારી તરીકે જોઈ રહ્યો છે. તેની પાતળાઈ નાના, ઝડપી અને વધુ ઉર્જા-કાર્યક્ષમ ટ્રાન્ઝિસ્ટરનું વચન આપે છે. તેમ છતાં, "gate dielectric" ની સમસ્યાએ પ્રગતિને રોકી રાખી છે. જ્યારે ઇન્સ્યુલેટિંગ લેયર પાતળું થાય છે, ત્યારે સેમિકન્ડક્ટર સાથેની સીમા અસ્થિર બને છે, જેના કારણે ખામીઓ (defects), ગેપ્સ અને ઇલેક્ટ્રિકલ અરાજકતા પેદા થાય છે જે કામગીરીને નબળી પાડે છે. સંશોધકો સામાન્ય રીતે નવા ઇન્સ્યુલેટર્સની શોધ કરે છે; તેના બદલે NYCU-TSMC ટીમે સીમા (boundary) ને જ ફરીથી એન્જિનિયર કરી છે.
0.42-નેનોમીટરનું ઇનોવેશન
Nature Electronics ના એક પેપરમાં, ટીમ એક લેયરિંગ પ્રક્રિયાનું વર્ણન કરે છે જે એટોમિક ટ્રાન્ઝિશનને સરળ બનાવે છે. તેઓએ મોનોલેયર MoS2 વેફરથી શરૂઆત કરી, એપિટેશિયલ એલ્યુમિનિયમ ફિલ્મ જમા કરી અને તેને તે જ સ્થાને ઓક્સિડાઇઝ કરી, જેનાથી માત્ર 0.42 nm જાડાઈનું એલ્યુમિનિયમ-ऑक्साइड બફર બનાવવામાં આવ્યું. આ બફર બે કામ કરે છે: તે high-κ hafnium-oxide gate dielectric ને સમાન રીતે વધવા માટે એક સરળ પાયો પૂરો પાડે છે, અને તે સેમિકન્ડક્ટરને બિનજરૂરી ઇલેક્ટ્રિકલ ઇન્ટરેક્શનથી બચાવે છે. પરિણામી ટ્રાન્ઝિસ્ટરો લગભગ એક નેનોમીટરની સમાન ઓક્સાઇડ જાડાઈ, ઓછો લીકેજ કરંટ અને લગભગ કોઈ હિસ્ટરિસિસ (hysteresis) દર્શાવે છે, જેથી ઉપકરણ સિગ્નલો પર અનુમાનિત રીતે પ્રતિસાદ આપે છે.
વેફર-સ્કેલ ઉત્પાદન તરફ પ્રયાણ
મહત્વપૂર્ણ રીતે, સંશોધકોએ Chemical Vapour Deposition (CVD) નો ઉપયોગ કરીને મોનોલેયર MoS2 ઉગાડ્યું છે, જે મોટા વિસ્તારોને કોટિંગ કરવા માટે ઉદ્યોગ-પ્રમાણિત પદ્ધતિ છે. CVD-ઉગાડેલી સામગ્રી પર એટોમિક ઇન્ટરફેસનું પ્રદર્શન કરવાથી ટુ-ડાયમેન્શનલ (2D) ઇલેક્ટ્રોનિક્સ વાસ્તવિક દુનિયાના વેફર-સ્કેલ ઉત્પાદન તરફ આગળ વધે છે. "નવી સામગ્રી શોધવા" થી "ઇન્ટરફેસ એન્જિનિયરિંગ" તરફનું આ પરિવર્તન ભવિષ્યના માઇક્રોચિપ્સ માટે ડિઝાઇન પેરાડાઇમને બદલી નાખશે.
ભારત માટે આનો અર્થ શું છે
આ સફળતા ભારતનું સેમિકન્ડક્ટર મિશન અને વ્યૂહાત્મક સ્વાયત્તતા (strategic autonomy) માટે મહત્વ ધરાવે છે.
- ટેકનોલોજીકલ બેન્ચમાર્કિંગ: ભારતનું India Semiconductor Mission (ISM) સિલિકોનથી MoS2 જેવા 2D મટિરિયલ્સ તરફના સ્થળાંતર પર નજર રાખવું જોઈએ. R&D ને ઇન્ટરફેસ-કેન્દ્રિત એન્જિનિયરિંગ સાથે જોડવાથી ભારતીય લેબ્સ પાછળ રહી જશે નહીં.
- સપ્લાય ચેઇન અને વ્યૂહાત્મક નિર્ભરતા: હાઇ-એન્ડ સેમિકન્ડક્ટરમાં તાઇવાનનું વર્ચસ્વ વધુ ગાઢ બને છે. ભારતને માત્ર એસેમ્બલી અને ટેસ્ટિંગ (OSAT) ક્ષમતાઓ કરતાં વધુની જરૂર છે; તેણે ડીપ-ટેક સંશોધનને પ્રોત્સાહન આપવું જોઈએ જે આગામી પેઢીના મટિરિયલ સાયન્સમાં સ્પર્ધા કરી શકે.
- ડિજિટલ ઇન્ફ્રાસ્ટ્રક્ચરને ભવિષ્ય માટે સુરક્ષિત કરવું: જેમ જેમ ભારત AI અને હાઇ-પરફોર્મન્સ કમ્પ્યુટિંગનો વિસ્તાર કરશે, તેમ તેમ ઉર્જા-કાર્યક્ષમ ચિપ્સની માંગ વધશે. MoS2 ટ્રાન્ઝિસ્ટરની પ્રગતિ પર દેખરેખ રાખવાથી ભારતને હાર્ડવેરની જરૂરિયાતોનું આયોજન કરવામાં અને પોસ્ટ-સિલિકોન યુગમાં ડિજિટલ સાર્વભૌમત્વનું રક્ષણ કરવામાં મદદ મળશે.
TSMC અને National Yang-Ming Chiao-Tung University એ 0.42 nm એટોમિક-સ્કેલ ઇન્ટરફેસ એન્જિનિયર કર્યું છે જે MoS₂ ટ્રાન્ઝિસ્ટરમાં gate-dielectric અવરોધને દૂર કરે છે, જે એક એવું પગલું છે જે ટુ-ડાયમેન્શનલ (2D) ચિપ્સને વેફર-સ્કેલ ઉત્પાદન સુધી લાવી શકે છે. આ સફળતા એટલા માટે મહત્વની છે કારણ કે તે એટોમિક સ્તરે પાતળી સામગ્રીને ઝડપ, કદ અને પાવર કાર્યક્ષમતામાં સિલિકોન સાથે સ્પર્ધા કરતા રોકતા છેલ્લા મોટા અવરોધને દૂર કરે છે.
gate-dielectric ની સમસ્યા જેણે 2D ચિપ્સને અટકાવી દીધી હતી
એક દાયકાથી વધુ સમયથી MoS₂—એક સિંગલ-એટમ-જાડાઈ ધરાવતું સેમિકન્ડક્ટર—ને સિલિકોનના ઉત્તરાધિકારી તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. તેની પાતળાઈ ઝડપી સ્વિચિંગ અને ઓછો લીકેજ આપવાનું વચન આપે છે. પરંતુ જ્યારે ઉત્પાદકોએ ટ્રાન્ઝિસ્ટરને નિયંત્રિત કરતા ઇન્સ્યુલેટિંગ “gate dielectric” ને નાનું કરવાનો પ્રયાસ કર્યો ત્યારે આ વચન નિષ્ફળ ગયું. જેમ જેમ તે લેયર પાતળું થયું, તેમ તેમ MoS₂ ક્રિસ્ટલ સાથેની સીમા ખામીઓથી ભરાઈ ગઈ, જેના કારણે ઇલેક્ટ્રિકલ અરાજકતા અને અનિશ્ચિત વર્તન પેદા થયું. ઉદ્યોગે નવા ઇન્સ્યુલેટર્સની શોધ કરી, પરંતુ કોઈ પણ એટોમ-પાતળા ચેનલ પર સ્વચ્છ અને સમાન ઇન્ટરફેસ બનાવી શક્યું નહીં.
એક એટોમિક બફર જે ટ્રાન્ઝિશનને સરળ બનાવે છે
ટીમે રણનીતિ બદલી નાખી: વધુ સારા ઇન્સ્યુલેટરની શોધ કરવાને બદલે, તેઓએ ઇન્ટરફેસને ફરીથી એન્જિનિયર કર્યું. CVD-ઉગાડેલા MoS₂ ના મોનોલેયરથી શરૂ કરીને, તેઓએ એપિટેશિયલ એલ્યુમિનિયમ ફિલ્મ જમા કરી અને તેને તે જ સ્થાને ઓક્સિડાઇઝ કરી, જેનાથી 0.42 nm એલ્યુમિનિયમ-ऑक्साइड બફર તૈયાર થયું. આ અલ્ટ્રા-થિન લેયર બે કામ કરે છે. પ્રથમ, તે high-κ hafnium-oxide gate dielectric ને સમાન રીતે વધવા માટે એક સરળ, રાસાયણિક રીતે સુસંગત સપાટી બનાવે છે. બીજું, તે MoS₂ ચેનલને ડાયલેક્ટ્રિક સાથેના સીધા ઇલેક્ટ્રિકલ ઇન્ટરેક્શનથી બચાવે છે, જેનાથી અગાઉના પ્રયાસોમાં જોવા મળતી ખામીઓનું નિર્માણ અટકે છે.
આ સ્ટેકે લીકેજ કરંટને ન્યૂનતમ સ્તરે રાખીને અને હિસ્ટેરેસિસ (સિગ્નલ પ્રતિસાદને વિકૃત કરતો વિલંબ) ને દૂર કરીને અંદાજે એક નેનોમીટરની સમાન ઓક્સાઇડ જાડાઈ પ્રાપ્ત કરી હતી. ટૂંકમાં, ટ્રાન્ઝિસ્ટર સમગ્ર વોલ્ટેજ રેન્જમાં અનુમાનિત રીતે વર્ત્યું હતું.
પ્રયોગશાળાના ફ્લેક્સથી વેફર-સ્કેલ સુધીની સંભાવના
આ કાર્યને જે બાબત અલગ પાડે છે તે છે MoS₂ લેયર ઉગાડવા માટે CVD નો ઉપયોગ. CVD એ મોટા સબસ્ટ્રેટ્સ પર સમાન ફિલ્મો જમા કરવા માટેની મુખ્ય ટેકનિક છે, જે પદ્ધતિ આજકાલના સિલિકોન ફેબ્સમાં વપરાય છે. CVD દ્વારા ઉગાડવામાં આવેલા મટિરિયલ પર પરમાણુ ઇન્ટરફેસનું પ્રદર્શન એ દર્શાવે છે કે, સિદ્ધાંત રૂપે, આ પ્રક્રિયા અલગ ચિપ્સથી આગળ વધીને સંપૂર્ણ વેફર્સ સુધી વિસ્તૃત થઈ શકે છે.
સંશોધકોએ પ્રમાણભૂત એપિટેશિયલ ગ્રોથ અને ઓક્સિડેશન સ્ટેપ્સનો પણ ઉપયોગ કર્યો જે હાલના ફેબ ટૂલકિટ્સમાં સમાઈ જાય છે. અગ્રણી ફાઉન્ડ્રી પાસે પહેલેથી જ ઉપલબ્ધ સાધનો સિવાય અન્ય કોઈ અસામાન્ય સાધનો અથવા અલ્ટ્રા-હાઈ-વેક્યૂમ ચેમ્બર્સની જરૂર નથી. આ સુસંગતતા TSMC જેવી ફાઉન્ડ્રી માટે આ પદ્ધતિને તેની પ્રોડક્શન લાઇનમાં સામેલ કરવી સરળ બનાવે છે.
તાઇવાનથી પર આ સફળતા શા માટે મહત્વની છે
આ સિદ્ધિ ભવિષ્ય માટે સુરક્ષિત સેમિકન્ડક્ટર ઇકોસિસ્ટમ બનાવી રહેલા કોઈપણ રાષ્ટ્ર માટે સ્પષ્ટ સંકેત આપે છે. ભારત જેવા દેશો માટે, જેઓ સ્થાનિક સેમિકન્ડક્ટર મિશનમાં ભારે રોકાણ કરી રહ્યા છે, આ કાર્ય એક નવો બેન્ચમાર્ક નક્કી કરે છે: સફળતા માત્ર સિલિકોન નોડ્સના સ્કેલિંગ પર નહીં, પરંતુ પરમાણુ સ્તરે ઇન્ટરફેસ એન્જિનિયરિંગમાં નિપુણતા મેળવવા પર વધુ નિર્ભર રહેશે.
- ટેકનોલોજી અલાઈનમેન્ટ – જે R&D પ્રોગ્રામ્સ ઇન્ટરફેસની ગુણવત્તા પર ધ્યાન આપ્યા વિના માત્ર બલ્ક મટિરિયલ સુધારા પાછળ દોડતા રહે છે, તેઓ પાછળ રહી જવાનું જોખમ ધરાવે છે.
- સપ્લાય-ચેઈન સુસંગતતા – આ પ્રક્રિયા એલ્યુમિનિયમ, હાફનિયમ અને પ્રમાણભૂત ઓક્સિડેશન સ્ટેપ્સ પર આધારિત છે, જે તાઇવાનના ડીપ-ટેક ફાયદાને મજબૂત બનાવે છે અને સાથે સાથે વૈવિધ્યસભર મટિરિયલ સ્ત્રોતોની જરૂરિયાત પર પણ પ્રકાશ પાડે છે.