تیاسامسی و دانشگاه تایوانی راه تازهای برای ترانزیستورهای زیر یک نانومتر یافتند
تیاسامسی با همکاری دانشگاه ملی یانگ مینگ چیائو تونگ در تایپه تایوان، به پیشرفتی مهم در طراحی ترانزیستورهای نسل آینده دست یافته است. پژوهشگران بهجای افزودن مستقیم مواد جدید روی کانال، سطح کانال را مهندسی کردهاند تا پیش از قرار گرفتن عایق و گیت، یک لایه حائل شکل بگیرد. این روش با استفاده از آلومینیوم اپیتاکسیال روی MoS₂ تکلایه، کنترل جریان را بهبود میدهد و مقاومت را کاهش میدهد.
این دستاورد به ساختار ترانزیستورهای دوبعدی مربوط میشود؛ فناوریای که برای عبور از محدودیتهای مقیاسپذیری ترانزیستورهای امروزی بررسی میشود. در این معماری، کانال تنها یک لایه مولکولی ضخامت دارد و میتواند کنترل بهتر گیت و مقاومت کمتری ارائه کند. هدف رسیدن به ضخامت کانال ۰.۷ نانومتر و طول کانال کمتر از ۳ نانومتر است تا تراکم ترانزیستورها در تراشه افزایش پیدا کند.
بخش عمده تراشههای امروزی از ترانزیستورهای FinFET یا GaaFET استفاده میکنند، هر دو ساختار سهبعدی دارند و کانالی برجسته را در اختیار گیتی قرار میدهند که پیرامون کانال قرار گرفته است. افزایش سطح تماس میان گیت و کانال، کنترل جریان را بهتر میکند و در این ساختار، کانال مسیر عبور جریان است و گیت جریان الکترونها را کنترل میکند؛ بااینحال کوچکسازی بیشتر، این کنترل را دشوارتر کرده است.
کاهش ضخامت کانال تا ۵ نانومتر و کوتاهتر شدن طول آن، امکان جای دادن ترانزیستورهای بیشتر در تراشه را فراهم میکند، اما محدودیتهای تازهای به وجود میآورد. هنگامی که طول کانال به حدود ۳ تا ۵ نانومتر میرسد، گیت در کنترل جریان الکترونها کارایی خود را از دست میدهد. همچنین در ضخامت کمتر از حدود ۳ نانومتر، الکترونها با گیت برخورد میکنند و مقاومت افزایش مییابد.
ترانزیستورهای دوبعدی تکلایه برای حل این محدودیتها مورد بررسی قرار گرفتهاند و ضخامت یک لایه مولکولی، کنترل بیشتر گیت و مقاومت کمتر را ممکن میکند، اما همین نازکی چالش دیگری دارد. پژوهشها نشان دادهاند که لایهنشانی سنتی گیت روی کانال MoS₂ تکلایه، بهدلیل ویژگیهای این ماده، یک لایه دیالکتریک گیت ناهموار ایجاد میکند. MoS₂ بهدلیل ضخامت طبیعی ۰.۷ نانومتری و توانایی کنترل بیشتر جریان انتخاب شده است.
در مقابل، ترانزیستورهای FinFET عمدتاً از سیلیکونژرمانیوم بهعنوان ماده کانال استفاده میکنند. پژوهش TSMC و NYCU برای غلبه بر مشکل لایهنشانی ماده گیت روی کانال انجام شد و مشخصاً روی دیالکتریک گیت تمرکز داشت؛ لایهای که از نشت جریان جلوگیری میکند و امکان کنترل جریان را فراهم میسازد. پژوهشگران برخلاف رویکردهای قبلی، بهجای مواد جدید یا روشهای تازه لایهنشانی، سراغ مهندسی سطح رفتند.
در روش پیشنهادی، یک لایه فوقالعاده نازک از آلومینیوم اپیتاکسیال روی سطح MoS₂ قرار گرفت و سپس به پژوهشگران اجازه داده شد تا این لایه اکسید شود. حاصل این فرایند، تشکیل اکسید آلومینیومی با ضخامت ۰.۴۲ نانومتر بود. پس از شکلگیری این لایه، دیالکتریک گیت اکسید هافنیوم با κ بالا روی آن اضافه شد تا ساختار موردنظر برای ترانزیستور تکلایه ایجاد شود.
نتایج آزمایش نشان داد مهندسی سطح با این روش میتواند در ترانزیستور MoS₂ کنترل دقیقتری بر جریان ایجاد کند و مقاومت را کاهش دهد. عملکرد بهدستآمده با حالتی قابل مقایسه بود که ضخامت لایه دیالکتریک یک نانومتر باشد. بنابراین، یافته TSMC و NYCU نشان میدهد تغییر در سطح ماده کانال، بهجای تمرکز صرف بر ماده یا روش لایهنشانی گیت، میتواند راهکاری برای ساخت ترانزیستورهای بسیار کوچک باشد.
