Cercetătorii de la Carnegie Mellon au demonstrat existența unor tranzistoare subțiri din punct de vedere atomic, cu canale mai scurte de 5 nanometri. Abordarea lor abordează una dintre cele mai persistente probleme ale scalării semiconductorilor: împiedicarea curgerii curentului atunci când un tranzistor ar trebui să fie oprit.
Timp de decenii, micșorarea tranzistoarelor a ajutat producătorii de cipuri să încapă mai multă putere de calcul în spații mai mici. Dar un tranzistor poate deveni doar atât de mic încât fizica care îl face să funcționeze începe să acționeze împotriva sa.
Una dintre cele mai mari probleme este menținerea tranzistorului oprit.
Un tranzistor controlează curentul printr-un canal semiconductor folosind un câmp electric generat de poarta sa. Pe măsură ce canalul respectiv devine mai scurt, sursa și drenul se apropie mai mult, ceea ce face din ce în ce mai dificil pentru poartă să controleze fluxul de electroni. Curentul poate începe să se scurgă chiar și atunci când dispozitivul ar trebui să fie oprit.
Această scurgere risipește energie și generează căldură, două probleme care devin deosebit de dificile atunci când miliarde de tranzistoare funcționează împreună.
Cercetătorii de la Universitatea Carnegie Mellon au demonstrat o modalitate de a împinge dimensiunile tranzistoarelor sub 5 nanometri, menținând în același timp un control electric puternic. Designul lor combină un semiconductor subțire atomic cu un spațiu de aer care modifică modul în care câmpurile electrice se comportă în jurul canalului.
Lucrarea, publicată în Nature Communications și anunțată pe 15 octombrie, include și dispozitive fabricate pe o placă de patru inci, un pas important dincolo de demonstrarea conceptului într-un singur tranzistor de laborator.
De ce tranzistoarele mai mici devin mai greu de oprit
Un tranzistor cu efect de câmp funcționează utilizând tensiunea la poartă pentru a controla dacă curentul poate circula între sursă și dren.
Într-un MOSFET convențional, poarta creează un câmp electric care modifică conductivitatea canalului semiconductor. Aplicați tensiunea corespunzătoare și tranzistorul se activează. Eliminați sau modificați acea tensiune și canalul ar trebui să înceteze să conducă.
Pe măsură ce tranzistoarele se micșorează, însă, sursa și drenul încep să interfereze cu controlul porții.
Problema este cunoscută sub numele de efect de canal scurt.
Când canalul devine extrem de scurt, câmpul electric de la dren poate influența bariera energetică care ar trebui să împiedice electronii să traverseze canalul. Poarta nu mai are control exclusiv asupra curgerii curentului.
Rezultatul este un curent de scurgere crescut, un comportament de comutare mai slab și un consum de energie potențial mai mare.
Inginerii au petrecut ani de zile dezvoltând arhitecturi de tranzistoare pentru a gestiona aceste efecte. FinFET-urile au îmbunătățit controlul porții prin înfășurarea porții în jurul mai multor laturi ale unei aripioare înguste de siliciu. Tranzistoarele Gate-all-around duc această abordare mai departe, înconjurând canalul cu poarta.
Dar geometria singură nu poate rezolva fiecare problemă de scalare.
Pe măsură ce lungimile canalului se apropie de doar câțiva nanometri, grosimea semiconductorului în sine devine din ce în ce mai importantă. Un canal gros face mai dificil pentru poartă controlul întregii regiuni în care poate circula curentul.
Acest lucru i-a încurajat pe cercetători să investigheze semiconductorii bidimensionali.
O alternativă atomic subțire la siliciu
Echipa Carnegie Mellon a folosit disulfură de molibden (MoS₂), un semiconductor care poate fi realizat cu o grosime de doar un strat atomic.
Spre deosebire de siliciu, care are o structură cristalină tridimensională, MoS₂ aparține unei familii de materiale stratificate cunoscute sub numele de dicalcogenuri de metale de tranziție. Straturile individuale sunt ținute împreună de forțe van der Waals relativ slabe, ceea ce face posibilă producerea de canale semiconductoare extrem de subțiri.
Un monostrat de MoS₂ are o grosime de doar aproximativ 0,7 nanometri.
Această subțire este utilă deoarece câmpul electric al porții poate influența canalul mai eficient. Cu mai puțin material semiconductor de controlat, inginerii pot suprima potențial unele dintre problemele electrostatice care devin severe în canalele de siliciu foarte scurte.
MoS₂ păstrează, de asemenea, o bandă interzisă a semiconductorului la grosimea monostratului, permițându-i să comute între stările conductoare și neconductoare.
Dar utilizarea unui semiconductor mai subțire nu produce automat un tranzistor mai bun.
Structura dispozitivului înconjurător determină în continuare cât de eficient controlează poarta canalul. Contactele, materialele izolatoare și aranjamentul fizic al electrozilor influențează comportamentul de comutare.
Aici intervine designul cu spațiu de aer al lui Carnegie Mellon.
Spațiul de aer care modifică câmpul electric
Aerul nu este de obicei primul material la care se gândesc inginerii atunci când proiectează un tranzistor. În acest caz, însă, lăsarea spațiului sub semiconductor face parte din soluție.
Cercetătorii de la Carnegie Mellon au dezvoltat o structură care încorporează un spațiu de aer sub canalul de MoS₂. Deoarece aerul are o constantă dielectrică mult mai mică decât multe dintre materialele izolatoare utilizate în dispozitivele semiconductoare, spațiul schimbă modul în care câmpurile electrice sunt distribuite în jurul tranzistorului.
Scopul este de a consolida controlul electrostatic al porții în raport cu curentul necontrolat. Influența anticipată a sursei și a drenului.
Într-un tranzistor extrem de scurt, acest echilibru este esențial. Poarta trebuie să fie capabilă să stabilească o barieră care să împiedice electronii să traverseze canalul atunci când dispozitivul este oprit. Dacă câmpul electric al drenului slăbește prea mult această barieră, curentul se scurge prin ea.
Prin combinarea geometriei spațiului de aer cu un canal subțire din punct de vedere atomic, cercetătorii au reușit să mențină comportamentul de comutare la lungimi fizice ale canalului sub 5 nanometri.
Abordarea ilustrează o distincție importantă în scalarea semiconductorilor. Inginerii nu încearcă pur și simplu să micșoreze fiecare dimensiune. Ei încearcă să păstreze comportamentul electric al tranzistorului pe măsură ce aceste dimensiuni se micșorează.
Uneori, aceasta înseamnă adăugarea unui spațiu gol poziționat cu atenție, în loc de un alt material.
De la un singur dispozitiv la o plachetă de patru inci
Multe modele experimentale de tranzistoare produc rezultate impresionante în dispozitive individuale, dar devin mult mai greu de reprodus atunci când fabricarea se mută pe substraturi mai mari.
Acest lucru face ca consecvența fabricației să fie o parte importantă a evaluării unei noi arhitecturi.
Echipa Carnegie Mellon a fabricat tranzistoarele MoS₂ pe plachete de patru inci, demonstrând că procesul ar putea fi aplicat dincolo de un dispozitiv izolat.
Acest lucru nu înseamnă că cercetătorii au dezvoltat un proces de fabricație comercial. Producerea de tranzistoare funcționale pe o plachetă este diferită de integrarea a miliarde dintre ele într-un procesor complet.
O tehnologie logică practică necesită, de asemenea, tensiuni de prag consistente, rezistență de contact scăzută, dielectrici de poartă fiabili, randament ridicat de fabricație și compatibilitate cu numeroasele alte etape implicate în fabricarea semiconductorilor.
Cu toate acestea, fabricarea la scară de plachetă abordează o întrebare care limitează frecvent cercetarea tranzistoarelor emergente: dacă o structură promițătoare a dispozitivului poate fi reprodusă folosind un proces, mai degrabă decât construită individual.
Pentru semiconductorii bidimensionali, această întrebare este deosebit de importantă. Cercetătorii au demonstrat caracteristici electrice excelente în fulgi preparați cu grijă, dar electronica la scară largă necesită materiale uniforme și performanțe repetabile ale dispozitivului pe o plachetă întreagă.
Lucrarea Carnegie Mellon aduce arhitectura cu spațiu de aer în acea discuție mai amplă despre fabricație.
Următoarea provocare de scalare este mai mult decât lungimea canalului
Un tranzistor cu un canal fizic mai scurt de 5 nanometri este o demonstrație impresionantă, dar lungimea canalului este doar o măsură a performanței dispozitivului.
De asemenea, inginerii trebuie să știe cât curent poate furniza tranzistorul atunci când este pornit, câte scurgeri atunci când este oprit și cât de repede își poate schimba starea poarta.
Rezistența de contact devine deosebit de importantă în dispozitivele bidimensionale. Chiar și atunci când canalul semiconductor are proprietăți favorabile, rezistența la intersecția dintre electrozii metalici și material poate limita curentul disponibil unui circuit.
Există, de asemenea, întrebări despre modul în care se comportă structura cu întrefier în timpul fabricării și funcționării.
Orice geometrie care introduce o mică regiune nesusținută trebuie evaluată pentru stabilitatea mecanică, variabilitatea procesului și compatibilitatea cu etapele ulterioare de fabricație. Dispozitivul complet trebuie, de asemenea, să reziste stresului electric și comutării repetate fără degradare semnificativă.
Și un canal scurt nu înseamnă neapărat un tranzistor complet proporțional mai mic. Contactele, structurile porții și cerințele de spațiere contribuie toate la amprenta unui dispozitiv practic.
Aceste considerații vor determina dacă tranzistoarele MoS₂ sub 5 nanometri pot oferi în cele din urmă avantaje utile față de arhitecturile de siliciu din ce în ce mai sofisticate.
Creând loc pentru următoarea generație de tranzistoare
Siliciul rămâne fundamentul calculului modern, iar industria semiconductorilor continuă să găsească noi modalități de a-i extinde performanța prin arhitectura tranzistoarelor, materiale și ambalaje avansate.
Semiconductorii bidimensionali oferă o altă cale, în special pe măsură ce canalele convenționale devin din ce în ce mai dificil de controlat la dimensiuni atomice.
Cercetarea Carnegie Mellon arată cum proprietățile unui semiconductor subțire din punct de vedere atomic pot fi combinate cu geometria dispozitivului pentru a aborda una dintre problemele fundamentale ale scalării tranzistoarelor.
Intervalul de aer nu face ca scurgerile să dispară, iar demonstrația este încă departe de a fi un cip logic finalizat. Dar arată că controlul câmpului electric din jurul unui tranzistor poate fi la fel de important ca schimbarea materialului care transportă curentul.
Pe măsură ce tranzistoarele se apropie de dimensiuni măsurate în doar câțiva atomi, următoarea îmbunătățire ar putea veni din reconsiderarea nu doar a ceea ce intră în dispozitiv, ci și a ceea ce inginerii omit în mod deliberat.
