తైవాన్‌కు చెందిన నేషనల్ యాంగ్ మింగ్ చియావో తుంగ్ యూనివర్శిటీ (NYCU) మరియు TSMC కార్పొరేట్ రీసెర్చ్ పరిశోధకులు తదుపరి తరం ట్రాన్సిస్టర్లలో ఉన్న ఒక ప్రధాన అడ్డంకిని తొలగించేలా 0.42 nm మందం కలిగిన ఇంటర్‌ఫేస్‌ను రూపొందించారు.

MoS2 ట్రాన్సిస్టర్ సందిగ్ధతను పరిష్కరించడం

దశాబ్ద కాలంగా పరిశ్రమ సిలికాన్‌కు ప్రత్యామ్నాయంగా పరమాణువుల స్థాయిలో సన్నగా ఉండే మోలిబ్డినం డైసల్ఫైడ్ (MoS2) వైపు చూస్తోంది. దీని సన్నదనం వల్ల చిన్నవిగా, వేగంగా మరియు తక్కువ శక్తిని వినియోగించుకునే ట్రాన్సిస్టర్‌లు వస్తాయని ఆశించవచ్చు. అయితే, "గేట్ డైఎలెక్ట్రిక్" (gate dielectric) సమస్య పురోగతిని అడ్డుకుంటోంది. ఇన్సులేటింగ్ లేయర్ సన్నబడినప్పుడు, సెమీకండక్టర్‌తో ఉండే సరిహద్దు అస్థిరంగా మారి, లోపాలు (defects), ఖాళీలు మరియు విద్యుత్ అస్తవ్యస్తతకు దారితీస్తుంది, ఇది పనితీరును దెబ్బతీస్తుంది. పరిశోధకులు సాధారణంగా కొత్త ఇన్సులేటర్ల కోసం వెతుకుతారు; కానీ NYCU-TSMC బృందం దానికి బదులుగా ఆ సరిహద్దునే (boundary) తిరిగి ఇంజనీరింగ్ చేసింది.

0.42-నానోమీటరు ఆవిష్కరణ

Nature Electronics పత్రంలో, పరమాణు పరివర్తనను (atomic transition) సులభతరం చేసే లేయరింగ్ ప్రక్రియను ఈ బృందం వివరించింది. వారు మోనోలేయర్ MoS2 వేఫర్‌తో ప్రారంభించి, దానిపై ఎపిటాక్సియల్ అల్యూమినియం ఫిల్మ్‌ను వేసి, దానిని అక్కడికక్కడే ఆక్సీకరణం (oxidised) చేయడం ద్వారా కేవలం 0.42 nm మందం కలిగిన అల్యూమినియం-ఆక్సైడ్ బఫర్‌ను సృష్టించారు. ఈ బఫర్ రెండు పనులు చేస్తుంది: ఇది హై-κ హాఫ్నియం-ఆక్సైడ్ గేట్ డైఎలెక్ట్రిక్ ఏకరీతిగా పెరగడానికి ఒక మృదువైన పునాదిని అందిస్తుంది, మరియు సెమీకండక్టర్‌ను అనవసరమైన విద్యుత్ పరస్పర చర్యల నుండి రక్షిస్తుంది. దీని ఫలితంగా వచ్చిన ట్రాన్సిస్టర్‌లు సుమారు ఒక నానోమీటరుకు సమానమైన ఆక్సైడ్ మందాన్ని, తక్కువ లీకేజీ కరెంట్‌ను మరియు దాదాపు హిస్టెరిసిస్ (hysteresis) లేని లక్షణాలను కలిగి ఉన్నాయి, తద్వారా పరికరం సిగ్నల్స్‌కు ఊహించదగిన విధంగా స్పందిస్తుంది.

వేఫర్-స్కేల్ తయారీ వైపు అడుగులు

ముఖ్యంగా, పరిశోధకులు పెద్ద విస్తీర్ణంలో పూత పూయడానికి పరిశ్రమలో ప్రామాణిక పద్ధతి అయిన కెమికల్ వేపర్ డిపోజిషన్ (CVD) ద్వారా మోనోలేయర్ MoS2ని పెంచారు. CVD ద్వారా పెంచిన పదార్థంపై పరమాణు ఇంటర్‌ఫేస్‌ను ప్రదర్శించడం వల్ల టూ-డైమెన్షనల్ (2D) ఎలక్ట్రానిక్స్ వాస్తవ ప్రపంచ వేఫర్-స్కేల్ ఉత్పత్తి వైపు మళ్లుతాయి. "కొత్త పదార్థాలను కనుగొనడం" నుండి "ఇంటర్‌ఫేస్‌లను ఇంజనీరింగ్ చేయడం" వైపు మారడం అనేది భవిష్యత్తు మైక్రోచిప్‌ల రూపకల్పన విధానాన్ని (design paradigm) పూర్తిగా మారుస్తుంది.

భారతదేశానికి దీని అర్థం ఏమిటి?

ఈ ఆవిష్కరణ భారతదేశ సెమీకండక్టర్ మిషన్ మరియు వ్యూహాత్మక స్వయంప్రతిపత్తికి ఎంతో ప్రాముఖ్యతను కలిగి ఉంది.

  • సాంకేతిక బెంచ్‌మార్కింగ్: భారతదేశపు ఇండియా సెమీకండక్టర్ మిషన్ (ISM), సిలికాన్ నుండి MoS2 వంటి 2D పదార్థాల వైపు జరుగుతున్న మార్పులను గమనిస్తూ ఉండాలి. R&Dని ఇంటర్‌ఫేస్-కేంద్రీకృత ఇంజనీరింగ్‌తో అనుసంధానించడం వల్ల భారతీయ ల్యాబ్‌లు వెనుకబడిపోకుండా ఉంటాయి.
  • సరఫరా గొలుసు మరియు వ్యూహాత్మక ఆధారితత్వం: హై-ఎండ్ సెమీకండక్టర్లలో తైవాన్ ఆధిపత్యం మరింత పెరుగుతోంది. భారతదేశానికి కేవలం అసెంబ్లీ మరియు టెస్టింగ్ (OSAT) సామర్థ్యాలు మాత్రమే సరిపోవు; తదుపరి తరం మెటీరియల్ సైన్స్‌లో పోటీ పడగలిగే డీప్-టెక్ పరిశోధనలను కూడా పెంపొందించుకోవాలి.
  • డిజిటల్ మౌలిక సదుపాయాల భవిష్యత్తు భద్రత: భారతదేశం AI మరియు హై-పెర్ఫార్మెన్స్ కంప్యూటింగ్‌ను విస్తరిస్తున్న కొద్దీ, శక్తి-సమర్థవంతమైన చిప్‌ల డిమాండ్ పెరుగుతుంది. MoS2 ట్రాన్సిస్టర్ల పురోగతిని పర్యవేక్షించడం వల్ల భారతదేశం తన హార్డ్‌వేర్ అవసరాలను ప్లాన్ చేసుకోవడానికి మరియు పోస్ట్-సిలికాన్ యుగంలో డిజిటల్ సార్వభౌమాధికారాన్ని కాపాడుకోవడానికి సహాయపడుతుంది.

TSMC మరియు నేషనల్ యాంగ్-మింగ్ చియావో-తుంగ్ యూనివర్శిటీ 0.42 nm పరమాణు స్థాయి ఇంటర్‌ఫేస్‌ను రూపొందించాయి, ఇది MoS₂ ట్రాన్సిస్టర్లలోని గేట్-డైఎలెక్ట్రిక్ అడ్డంకిని తొలగిస్తుంది. ఈ అడుగు టూ-డైమెన్షనల్ (2D) చిప్‌లను వేఫర్-స్కేల్ ఉత్పత్తికి తీసుకురాగలదు. ఈ ఆవిష్కరణ ఎందుకు ముఖ్యమైనదంటే, పరమాణువుల స్థాయిలో సన్నగా ఉండే పదార్థాలు వేగం, పరిమాణం మరియు శక్తి సామర్థ్యంలో సిలికాన్‌తో పోటీ పడకుండా అడ్డుకుంటున్న చివరి ప్రధాన అడ్డంకిని ఇది తొలగించింది.

2D చిప్‌లను నిలిపివేసిన గేట్-డైఎలెక్ట్రిక్ సమస్య

దశాబ్ద కాలానికి పైగా, మోలిబ్డినం డైసల్ఫైడ్ (MoS₂) — ఒకే పరమాణువు మందం కలిగిన సెమీకండక్టర్ — సిలికాన్‌కు ప్రత్యామ్నాయంగా ప్రచారంలో ఉంది. దీని సన్నదనం వల్ల వేగవంతమైన స్విచ్చింగ్ మరియు తక్కువ లీకేజీ లభిస్తాయని ఆశించవచ్చు. అయితే, ట్రాన్సిస్టర్‌ను నియంత్రించే ఇన్సులేటింగ్ "గేట్ డైఎలెక్ట్రిక్"ను తగ్గించడానికి తయారీదారులు ప్రయత్నించినప్పుడు ఆ ఆశలు మాయమయ్యాయి. ఆ లేయర్ సన్నబడినప్పుడు, MoS₂ స్పటికంతో ఉండే సరిహద్దు లోపాలతో నిండిపోయి, విద్యుత్ అస్తవ్యస్తతకు మరియు ఊహించలేని ప్రవర్తనకు దారితీసింది. పరిశ్రమ కొత్త ఇన్సులేటర్ల కోసం వెతికింది, కానీ ఏదీ పరమాణువుల స్థాయిలో ఉండే ఛానెల్‌పై స్వచ్ఛమైన, ఏకరీతి ఇంటర్‌ఫేస్‌ను ఏర్పరచలేకపోయింది.

పరివర్తనను సులభతరం చేసే పరమాణు బఫర్

ఈ బృందం విధానాన్ని మార్చింది: మెరుగైన ఇన్సులేటర్ కోసం వెతకడానికి బదులుగా, వారు ఇంటర్‌ఫేస్‌ను తిరిగి ఇంజనీరింగ్ చేశారు. CVD ద్వారా పెంచిన MoS₂ మోనోలేయర్‌తో ప్రారంభించి, దానిపై ఎపిటాక్సియల్ అల్యూమినియం ఫిల్మ్‌ను వేసి, దానిని అక్కడికక్కడే ఆక్సీకరణం చేయడం ద్వారా 0.42 nm అల్యూమినియం-ఆక్సైడ్ బఫర్‌ను ఉత్పత్తి చేశారు. ఈ అతి సన్నని లేయర్ రెండు పనులు చేస్తుంది. మొదటిది, హై-κ హాఫ్నియం-ఆక్సైడ్ గేట్ డైఎలెక్ట్రిక్ సమానంగా పెరగడానికి ఇది ఒక మృదువైన, రసాయనిక అనుకూలత కలిగిన ఉపరితలాన్ని సృష్టిస్తుంది. రెండవది, ఇది డైఎలెక్ట్రితో నేరుగా విద్యుత్ పరస్పర చర్య జరగకుండా MoS₂ ఛానెల్‌ను రక్షిస్తుంది, తద్వారా గత ప్రయత్నాలలో ఎదురైన లోపాల ఏర్పాటును అరికడుతుంది.

ఈ స్టాక్ లీకేజీ కరెంట్లను కనిష్ట స్థాయిలో ఉంచుతూ మరియు సిగ్నల్ రెస్పాన్స్‌ను దెబ్బతీసే 'హిస్టెరిసిస్' (lag) అనే ఆలస్యాన్ని తొలగిస్తూ, సుమారు ఒక నానోమీటరుకు సమానమైన ఆక్సైడ్ మందాన్ని సాధించింది. క్లుప్తంగా చెప్పాలంటే, ట్రాన్సిస్టర్ పూర్తి వోల్టేజ్ పరిధిలో ఊహించిన విధంగానే పనిచేసింది.

ల్యాబొరేటరీ ఫ్లేక్స్ నుండి వేఫర్-స్కేల్ వాగ్దానం వరకు

MoS₂ పొరను పెంచడానికి CVDని ఉపయోగించడం ఈ పరిశోధన యొక్క ప్రత్యేకత. పెద్ద సబ్‌స్ట్రేట్లపై ఏకరీతి పొరలను పూయడానికి CVD అనేది అత్యంత కీలకమైన సాంకేతికత, నేటి సిలికాన్ ఫ్యాబ్స్‌లో కూడా ఇదే పద్ధతిని ఉపయోగిస్తారు. CVD ద్వారా పెంచిన పదార్థంపై అటామిక్ ఇంటర్‌ఫేస్‌ను ప్రదర్శించడం ద్వారా, ఈ ప్రక్రియను సిద్ధాంతపరంగా విడి చిప్స్ స్థాయి నుండి పూర్తి వేఫర్ల స్థాయికి విస్తరించవచ్చని నిరూపిస్తుంది.

పరిశోధకులు ఇప్పటికే ఉన్న ఫ్యాబ్ టూల్‌కిట్లలో సరిపోయే ప్రామాణిక ఎపిటాక్సియల్ గ్రోత్ మరియు ఆక్సిడేషన్ దశలను కూడా ఉపయోగించారు. ప్రముఖ ఫౌండ్రీలు ఇప్పటికే ఉపయోగిస్తున్న వాటి కంటే అదనంగా ఎటువంటి అరుదైన పరికరాలు లేదా అల్ట్రా-హై-వ్యాక్యూమ్ ఛాంబర్లు అవసరం లేదు. ఈ అనుకూలత వల్ల TSMC వంటి ఫౌండ్రీలు ఈ పద్ధతిని తమ ప్రొడక్షన్ లైన్లలో అనుసంధానించడం సులభతరం అవుతుంది.

తైవాన్‌కు మించి ఈ విప్లవాత్మక మార్పు ఎందుకు ముఖ్యం

ఈ విజయం భవిష్యత్తుకు సిద్ధంగా ఉండే సెమీకండక్టర్ ఎకోసిస్టమ్‌ను నిర్మిస్తున్న ఏ దేశానికైనా ఒక స్పష్టమైన సంకేతాన్ని పంపుతుంది. దేశీయ సెమీకండక్టర్ మిషన్ కోసం భారీగా పెట్టుబడులు పెడుతున్న భారతదేశం వంటి దేశాలకు, ఈ పరిశోధన ఒక కొత్త ప్రమాణాన్ని (benchmark) నిర్ణయిస్తుంది: విజయం అనేది కేవలం సిలికాన్ నోడ్లను విస్తరించడంపై మాత్రమే కాకుండా, అటామిక్ స్థాయిలో ఇంటర్‌ఫేస్ ఇంజనీరింగ్‌లో నైపుణ్యం సాధించడంపై ఎక్కువగా ఆధారపడి ఉంటుంది.

  • టెక్నాలజీ అలైన్‌మెంట్ – ఇంటర్‌ఫేస్ నాణ్యతను పరిగణనలోకి తీసుకోకుండా కేవలం బల్క్ మెటీరియల్ మెరుగుదలలకే ప్రాధాన్యతనిచ్చే R&D ప్రోగ్రామ్‌లు వెనుకబడిపోయే ప్రమాదం ఉంది.
  • సప్లై-చైన్ రిలెవెన్స్ – ఈ ప్రక్రియ అల్యూమినియం, హాఫ్నియం మరియు ప్రామాణిక ఆక్సిడేషన్ దశలపై ఆధారపడి ఉంటుంది, ఇది తైవాన్ యొక్క డీప్-టెక్ ప్రయోజనాన్ని బలపరుస్తూనే, వైవిధ్యమైన మెటీరియల్ వనరుల అవసరాన్ని కూడా నొక్కి చెబుతుంది.