തായ്വാനിലെ നാഷണൽ യാങ് മിംഗ് ചിയാവോ തുങ് യൂണിവേഴ്സിറ്റിയിലെയും (NYCU) TSMC കോർപ്പറേറ്റ് റിസർച്ചിലെയും ഗവേഷകർ അടുത്ത തലമുറ ട്രാൻസിസ്റ്ററുകളിലെ പ്രധാന തടസ്സങ്ങൾ നീക്കം ചെയ്യുന്ന 0.42 nm കനമുള്ള ഒരു ഇന്റർഫേസ് നിർമ്മിച്ചു കഴിഞ്ഞു.
MoS2 ട്രാൻസിസ്റ്റർ പ്രതിസന്ധി പരിഹരിക്കുന്നു
ഒരു പതിറ്റാണ്ടിലേറെയായി, സിലിക്കണിന് പകരക്കാരനായി അറ്റോമിക് തലത്തിൽ നേർത്ത മോളിബ്ഡിനം ഡൈസൾഫൈഡിനെ (MoS2) വ്യവസായം ലക്ഷ്യമിടുന്നുണ്ട്. ഇതിന്റെ നേർത്തതലം കുറഞ്ഞ വലിപ്പമുള്ളതും വേഗതയേറിയതും കൂടുതൽ ഊർജ്ജക്ഷമതയുള്ളതുമായ ട്രാൻസിസ്റ്ററുകൾ വാഗ്ദാനം ചെയ്യുന്നു. എന്നിരുന്നാലും, "ഗേറ്റ് ഡൈഇലക്ട്രിക്" (gate dielectric) പ്രശ്നം പുരോഗതിയെ തടസ്സപ്പെടുത്തിയിരിക്കുകയാണ്. ഇൻസുലേറ്റിംഗ് പാളി നേർത്തതാകുമ്പോൾ, സെമികണ്ടക്ടറുമായുള്ള അതിർത്തി അസ്ഥിരപ്പെടുകയും, പ്രവർത്തനക്ഷമതയെ തകർക്കുന്ന തകരാറുകളും വിടവുകളും വൈദ്യുത ക്രമക്കേടുകളും ഉണ്ടാവുകയും ചെയ്യുന്നു. ഗവേഷകർ സാധാരണയായി പുതിയ ഇൻസുലേറ്ററുകൾക്കായി തിരയുകയാണ് പതിവ്; എന്നാൽ NYCU-TSMC ടീം അതിന് പകരം അതിർത്തി തന്നെ പുനർനിർമ്മിക്കുകയാണ് ചെയ്തത്.
0.42-നാനോമീറ്റർ നവീകരണം
Nature Electronics-ൽ പ്രസിദ്ധീകരിച്ച ഒരു പ്രബന്ധത്തിൽ, അറ്റോമിക് പരിവർത്തനം സുഗമമാക്കുന്ന ഒരു ലെയറിംഗ് പ്രക്രിയയെക്കുറിച്ച് ടീം വിവരിക്കുന്നു. അവർ ഒരു മോണോലെയർ MoS2 വേഫറിൽ തുടങ്ങി, അതിനു മുകളിൽ ഒരു എപിറ്റാക്സിയൽ അലുമിനിയം ഫിലിം പതിപ്പിക്കുകയും അത് ഓക്സിഡൈസ് ചെയ്യുകയും ചെയ്തു, ഇതിലൂടെ വെറും 0.42 nm കനമുള്ള ഒരു അലുമിനിയം-ഓക്സൈഡ് ബഫർ നിർമ്മിച്ചു. ഈ ബഫർ രണ്ട് കാര്യങ്ങൾ ചെയ്യുന്നു: ഉയർന്ന-κ (high-κ) ഹാഫ്നിയം-ഓക്സൈഡ് ഗേറ്റ് ഡൈഇലക്ട്രിക് ഒരേപോലെ വളരുന്നതിന് സുഗമമായ ഒരു അടിത്തറ നൽകുന്നു, കൂടാതെ സെമികണ്ടക്ടറിനെ അനാവശ്യ വൈദ്യുത ഇടപെടലുകളിൽ നിന്ന് സംരക്ഷിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു. ഇതിലൂടെ നിർമ്മിച്ച ട്രാൻസിസ്റ്ററുകൾ ഏകദേശം ഒരു നാനോമീറ്റർ തുല്യ ഓക്സൈഡ് കനവും, കുറഞ്ഞ ലീക്കേജ് കറന്റും, ഹിസ്റ്റെറിസിസ് (hysteresis) ഇല്ലാത്ത അവസ്ഥയും കാണിക്കുന്നു, അതിനാൽ ഉപകരണം സിഗ്നലുകളോട് കൃത്യമായി പ്രതികരിക്കുന്നു.
വേഫർ-സ്കെയിൽ നിർമ്മാണത്തിലേക്ക്
പ്രധാനമായും, വലിയ ഭാഗങ്ങൾ കോട്ട് ചെയ്യുന്നതിനുള്ള വ്യവസായ മാനദണ്ഡമായ കെമിക്കൽ വേപ്പർ ഡെപ്പോസിഷൻ (CVD) ഉപയോഗിച്ചാണ് ഗവേഷകർ മോണോലെയർ MoS2 വളർത്തിയത്. CVD ഉപയോഗിച്ച് വളർത്തിയ മെറ്റീരിയലിൽ അറ്റോമിക് ഇന്റർഫേസ് പ്രദർശിപ്പിക്കുന്നത് ടു-ഡൈമൻഷണൽ (2D) ഇലക്ട്രോണിക്സിനെ യഥാർത്ഥ ലോകത്തെ വേഫർ-സ്കെയിൽ ഉൽപ്പാദനത്തിലേക്ക് നയിക്കുന്നു. "പുതിയ മെറ്റീരിയലുകൾ കണ്ടെത്തുക" എന്നതിൽ നിന്ന് "ഇന്റർഫേസുകൾ എഞ്ചിനീയർ ചെയ്യുക" എന്നതിലേക്കുള്ള മാറ്റം ഭാവിയിലെ മൈക്രോചിപ്പുകളുടെ രൂപകൽപ്പനയിലെ മാതൃകയെ തന്നെ മാറ്റുന്നു.
ഇന്ത്യയെ സംബന്ധിച്ചിടത്തോളം ഇതിന്റെ അർത്ഥമെന്താണ്
ഈ നേട്ടം ഇന്ത്യയുടെ സെമികണ്ടക്ടർ മിഷനും തന്ത്രപരമായ സ്വയംഭരണാധികാരത്തിനും (strategic autonomy) വലിയ പ്രാധാന്യമുള്ളതാണ്.
- സാങ്കേതിക മാനദണ്ഡങ്ങൾ (Technological Benchmarking): സിലിക്കനിൽ നിന്ന് MoS2 പോലുള്ള 2D മെറ്റീരിയലുകളിലേക്കുള്ള മാറ്റം ഇന്ത്യയുടെ ഇന്ത്യാ സെമികണ്ടക്ടർ മിഷൻ (ISM) നിരീക്ഷിക്കേണ്ടതുണ്ട്. ഗവേഷണവും വികസനവും (R&D) ഇന്റർഫേസ് കേന്ദ്രീകൃത എഞ്ചിനീയറിംഗുമായി യോജിപ്പിക്കുന്നത് ഇന്ത്യൻ ലാബുകൾ പിന്നിലായിപ്പോകാതിരിക്കാൻ സഹായിക്കും.
- സപ്ലൈ ചെയിനും തന്ത്രപരമായ ആശ്രിതത്വവും: ഹൈ-എൻഡ് സെമികണ്ടക്ടറുകളിൽ തായ്വാന്റെ ആധിപത്യം വർദ്ധിക്കുന്നു. ഇന്ത്യയ്ക്ക് അസംബ്ലിയും ടെസ്റ്റിംഗും (OSAT) മാത്രമല്ല വേണ്ടത്; അടുത്ത തലമുറ മെറ്റീരിയൽ സയൻസിൽ മത്സരിക്കാൻ കഴിയുന്ന ഡീപ്പ്-ടെക് ഗവേഷണങ്ങളെയും ഇന്ത്യ വളർത്തിയെടുക്കേണ്ടതുണ്ട്.
- ഡിജിറ്റൽ ഇൻഫ്രാസ്ട്രക്ചർ ഭാവിയിലേക്ക് സജ്ജമാക്കൽ: ഇന്ത്യ AI-യും ഹൈ-പെർഫോമൻസ് കമ്പ്യൂട്ടിംഗും വിപുലമാക്കുമ്പോൾ, ഊർജ്ജക്ഷമതയുള്ള ചിപ്പുകളുടെ ആവശ്യം വർദ്ധിക്കും. MoS2 ട്രാൻസിസ്റ്ററുകളിലെ പുരോഗതി നിരീക്ഷിക്കുന്നത് സിലിക്കൺ കാലഘട്ടത്തിന് ശേഷമുള്ള കാലഘട്ടത്തിൽ ഹാർഡ്വെയർ ആവശ്യകതകൾ ആസൂത്രണം ചെയ്യാനും ഡിജിറ്റൽ പരമാധികാരം സംരക്ഷിക്കാനും ഇന്ത്യയെ സഹായിക്കും.
MoS₂ ട്രാൻസിസ്റ്ററുകളിലെ ഗേറ്റ്-ഡൈഇലക്ട്രിക് തടസ്സം നീക്കം ചെയ്യുന്ന 0.42 nm അറ്റോമിക്-സ്കെയിൽ ഇന്റർഫേസ് TSMC-യും നാഷണൽ യാങ്-മിംഗ് ചിയാവോ-തുങ് യൂണിവേഴ്സിറ്റിയും എഞ്ചിനീയർ ചെയ്തിരിക്കുന്നു. ഇത് ടു-ഡൈമൻഷണൽ (2D) ചിപ്പുകളെ വേഫർ-സ്കെയിൽ ഉൽപ്പാദനത്തിലേക്ക് എത്തിക്കാൻ സഹായിക്കുന്ന ഒരു ചുവടുവെപ്പാണ്. അറ്റോമിക് തലത്തിൽ നേർത്ത മെറ്റീരിയലുകൾ വേഗത, വലിപ്പം, ഊർജ്ജക്ഷമത എന്നിവയിൽ സിലിക്കണിനോട് മത്സരിക്കുന്നതിന് തടസ്സമായിരുന്ന അവസാനത്തെ പ്രധാന ഘടകം നീക്കം ചെയ്തതുകൊണ്ടാണ് ഈ നേട്ടം പ്രധാനമാകുന്നത്.
2D ചിപ്പുകളെ തടസ്സപ്പെടുത്തിയ ഗേറ്റ്-ഡൈഇലക്ട്രിക് പ്രശ്നം
ഒരു പതിറ്റാണ്ടിലേറെയായി, ഒരു സിംഗിൾ-അറ്റം കനമുള്ള സെമികണ്ടക്ടറായ MoS₂ സിലിക്കണിന്റെ പകരക്കാരനായി വാഗ്ദാനം ചെയ്യപ്പെടുന്നു. ഇതിന്റെ നേർത്തതലം വേഗത്തിലുള്ള സ്വിച്ചിംഗും കുറഞ്ഞ ലീക്കേജും വാഗ്ദാനം ചെയ്യുന്നു. എന്നാൽ ട്രാൻസിസ്റ്ററിനെ നിയന്ത്രിക്കുന്ന ഇൻസുലേറ്റിംഗ് "ഗേറ്റ് ഡൈഇലക്ട്രിക്" ചുരുക്കാൻ നിർമ്മാതാക്കൾ ശ്രമിച്ചപ്പോൾ ഈ വാഗ്ദാനം ഇല്ലാതായി. ആ പാളി നേർത്തതാകുമ്പോൾ, MoS₂ ക്രിസ്റ്റലുമായിട്ടുള്ള അതിർത്തിയിൽ തകരാറുകൾ ഉണ്ടാവുകയും, അത് വൈദ്യുത ക്രമക്കേടുകൾക്കും പ്രവചനാതീതമായ പെരുമാറ്റത്തിനും കാരണമാവുകയും ചെയ്തു. വ്യവസായം പുതിയ ഇൻസുലേറ്ററുകൾക്കായി തിരഞ്ഞെങ്കിലും, അറ്റോം-നേർത്ത ചാനലുകളിൽ വൃത്തിയുള്ളതും ഏകീകൃതവുമായ ഒരു ഇന്റർഫേസ് രൂപീകരിക്കാൻ അവയ്ക്ക് കഴിഞ്ഞില്ല.
പരിവർത്തനം സുഗമമാക്കുന്ന ഒരു അറ്റോമിക് ബഫർ
ടീം രീതികൾ മാറ്റിമറിച്ചു: മികച്ച ഇൻസുലേറ്ററിനായി തിരയുന്നതിന് പകരം അവർ ഇന്റർഫേസ് പുനർനിർമ്മിക്കുകയാണ് ചെയ്തത്. CVD ഉപയോഗിച്ച് വളർത്തിയ MoS₂ മോണോലെയറിൽ തുടങ്ങി, അവർ ഒരു എപിറ്റാക്സിയൽ അലുമിനിയം ഫിലിം പതിപ്പിക്കുകയും അത് ഓക്സിഡൈസ് ചെയ്യുകയും ചെയ്തു, ഇതിലൂടെ 0.42 nm അലുമിനിയം-ഓക്സൈഡ് ബഫർ നിർമ്മിച്ചു. ഈ അതിസൂക്ഷ്മമായ പാളി രണ്ട് കാര്യങ്ങൾ ചെയ്യുന്നു. ഒന്നാമതായി, ഉയർന്ന-κ ഹാഫ്നിയം-ഓക്സൈഡ് ഗേറ്റ് ഡൈഇലക്ട്രിക് ഒരേപോലെ വളരുന്നതിന് ഇത് സുഗമവും രാസപരമായി അനുയോജ്യവുമായ ഒരു ഉപരിതലം സൃഷ്ടിക്കുന്നു. രണ്ടാമതായി, ഇത് MoS₂ ചാനലിനെ ഡൈഇലക്ട്രിക്കുമായി നേരിട്ടുള്ള വൈദ്യുത ഇടപെടലുകളിൽ നിന്ന് സംരക്ഷിക്കുന്നു, ഇത് മുൻപത്തെ ശ്രമങ്ങളെ തടസ്സപ്പെടുത്തിയ തകരാറുകൾ ഉണ്ടാകുന്നത് തടയുന്നു.
ലീക്കേജ് കറന്റുകൾ കുറഞ്ഞ അളവിൽ നിലനിർത്തിക്കൊണ്ടും, സിഗ്നൽ റെസ്പോൺസിനെ തടസ്സപ്പെടുത്തുന്ന ഹിസ്റ്റെറിസിസ് (hysteresis) എന്ന പ്രതിഭാസം ഒഴിവാക്കിക്കൊണ്ടും ഈ സ്ടാക്കിന് ഏകദേശം ഒരു നാനോമീറ്റർ തുല്യ ഓക്സൈഡ് കനം (equivalent oxide thickness) കൈവരിക്കാൻ സാധിച്ചു. ചുരുക്കത്തിൽ, മുഴുവൻ വോൾട്ടേജ് പരിധിയിലും ട്രാൻസിസ്റ്റർ പ്രവചിക്കാവുന്ന രീതിയിൽ പ്രവർത്തിച്ചു.
ലാബ് ഫ്ലേക്കുകളിൽ നിന്ന് വേഫർ-സ്കെയിൽ വാഗ്ദാനങ്ങളിലേക്ക്
MoS₂ പാളി വളർത്താൻ CVD ഉപയോഗിച്ചു എന്നതാണ് ഈ ഗവേഷണത്തെ വ്യത്യസ്തമാക്കുന്നത്. വലിയ സബ്സ്ട്രേറ്റുകളിൽ ഏകതാനമായ പാളികൾ നിക്ഷേപിക്കുന്നതിനുള്ള പ്രധാന സാങ്കേതികവിദ്യയാണ് CVD; ഇന്നത്തെ സിലിക്കൺ ഫാബുകളിൽ ഉപയോഗിക്കുന്ന അതേ രീതിയാണിത്. CVD വഴി വളർത്തിയെടുത്ത പദാർത്ഥത്തിൽ ആറ്റോമിക് ഇന്റർഫേസ് തെളിയിച്ചതിലൂടെ, ഈ പ്രക്രിയയ്ക്ക് തനിയെ നിൽക്കുന്ന ചിപ്പുകൾക്ക് അപ്പുറം മുഴുവൻ വേഫറുകളിലേക്കും വ്യാപിപ്പിക്കാൻ സാധിക്കുമെന്ന് അടിസ്ഥാനപരമായി വ്യക്തമാകുന്നു.
നിലവിലുള്ള ഫാബ് ടൂൾകിറ്റുകളിൽ ഉൾക്കൊള്ളാൻ കഴിയുന്ന സ്റ്റാൻഡേർഡ് എപ്പിറ്റാക്ഷ്യൽ ഗ്രോത്ത് (epitaxial growth), ഓക്സിഡേഷൻ ഘട്ടങ്ങൾ എന്നിവയും ഗവേഷകർ ഉപയോഗിച്ചു. ഒരു പ്രമുഖ ഫൗണ്ടറി നിലവിൽ ഉപയോഗിക്കുന്നതിനേക്കാൾ അപ്പുറം അപൂർവ്വമായ ഉപകരണങ്ങളോ അൾട്രാ-ഹൈ-വാക്വം ചേമ്പറുകളോ ഇതിന് ആവശ്യമില്ല. ഈ പൊരുത്തപ്പെടൽ, TSMC പോലുള്ള ഒരു ഫൗണ്ടറിക്ക് ഈ രീതി അതിന്റെ പ്രൊഡക്ഷൻ ലൈനുകളിൽ ഉൾപ്പെടുത്തുന്നതിനുള്ള തടസ്സങ്ങൾ കുറയ്ക്കുന്നു.
തായ്വാനെക്കാൾ അപ്പുറം ഈ മുന്നേറ്റം പ്രധാനമാകുന്നത് എന്തുകൊണ്ട്
ഭാവിയിലേക്ക് കരുത്തുറ്റ ഒരു സെമികണ്ടക്ടർ ഇക്കോസിസ്റ്റം കെട്ടിപ്പടുക്കുന്ന ഏതൊരു രാജ്യത്തിനും ഈ നേട്ടം വ്യക്തമായ ഒരു സന്ദേശം നൽകുന്നു. ഒരു സ്വദേശി സെമികണ്ടക്ടർ മിഷനായി വൻതോതിൽ നിക്ഷേപം നടത്തുന്ന ഇന്ത്യയെപ്പോലുള്ള രാജ്യങ്ങൾക്ക്, ഈ ഗവേഷണം ഒരു പുതിയ മാനദണ്ഡം നിശ്ചയിക്കുന്നു: വിജയം എന്നത് സിലിക്കൺ നോഡുകൾ സ്കെയിൽ ചെയ്യുന്നതിൽ മാത്രമല്ല, ആറ്റോമിക് തലത്തിലുള്ള ഇന്റർഫേസ് എൻജിനീയറിംഗിൽ വൈദഗ്ധ്യം നേടുന്നതിനെ കൂടി ആശ്രയിച്ചിരിക്കും.
- സാങ്കേതിക വിദ്യയുടെ പൊരുത്തം (Technology alignment) – ഇന്റർഫേസ് ഗുണനിലവാരം പരിഗണിക്കാതെ ബൾക്ക് മെറ്റീരിയൽ മെച്ചപ്പെടുത്തലുകൾ മാത്രം ലക്ഷ്യമിടുന്ന ആർ ആൻഡ് ഡി (R&D) പ്രോഗ്രാമുകൾ പിന്നിലായിപ്പോകാൻ സാധ്യതയുണ്ട്.
- സപ്ലൈ ചെയിൻ പ്രസക്തി (Supply-chain relevance) – ഈ പ്രക്രിയ അലുമിനിയം, ഹാഫ്നിയം, സ്റ്റാൻഡേർഡ് ഓക്സിഡേഷൻ ഘട്ടങ്ങൾ എന്നിവയെ ആശ്രയിച്ചാണ് പ്രവർത്തിക്കുന്നത്. ഇത് തായ്വാന്റെ ഡീപ്പ്-ടെക് (deep-tech) മുൻതൂക്കം ശക്തിപ്പെടുത്തുന്നതോടൊപ്പം വൈവിധ്യമാർന്ന മെറ്റീരിയൽ സ്രോതസ്സുകളുടെ ആവശ്യകതയെയും എടുത്തുകാണിക്കുന്നു.