مهندسی مرز اتمی برای ترانزیستورهای دوبعدی کم مصرف

تصور کنید کانال یک ترانزیستور از یک رشته دی‌ان‌ای هم نازک‌تر باشد، اما همچنان بتواند مانند قلب یک پردازنده مدرن جریان را هدایت و قطع و وصل کند. شبیه داستان‌های علمی تخیلی به نظر می‌رسد؟ این دقیقا همان تصویری است که پژوهشگران دانشگاه ملی یانگ مینگ چیاو تونگ و تی‌اس‌ام‌سی دنبال می‌کنند و آرام‌آرام به واقعیت نزدیکش می‌شوند.

مسئله اصلی هرگز فقط خود کانال نبوده است. نبرد واقعی در مرز بسیار باریکی رخ می‌دهد که نیمه‌رسانای نازک در مقیاس اتمی با گیت عایق خود تماس پیدا می‌کند. اگر دی‌الکتریک بیش از حد نازک شود، ترانزیستور بهتر فرمان‌پذیر می‌شود؛ اما اگر بیش از اندازه به کانال نزدیک شود، الکترون‌ها پراکنده می‌شوند و کارایی افت می‌کند. تیم دانشگاه یانگ مینگ چیاو تونگ و تی‌اس‌ام‌سی مسیر دیگری را انتخاب کرد: ساخت یک نیمه‌رسانای تازه نه، بلکه بازطراحی رابط میان مواد.

آن‌ها کار را با دی‌سولفید مولیبدن تک‌لایه رشد یافته با رسوب‌دهی شیمیایی بخار آغاز کردند؛ یک دی‌کالکوژنید فلز واسطه با ضخامت ۰٫۷ نانومتر که نوید نازکی‌ای را می‌دهد که سیلیکون دیگر نمی‌تواند به‌صورت پایدار به آن برسد. رسوب‌دهی شیمیایی بخار اهمیت زیادی دارد، زیرا فیلم‌های پیوسته را در ابعاد ویفر تولید می‌کند؛ چیزی که برای هر مسیر واقعی به سوی تولید صنعتی ضروری است، نه فقط برای نمونه‌های کنجکاوی‌برانگیز آزمایشگاهی.

چرا این رابط تا این اندازه دردسرساز است؟ دی‌سولفید مولیبدن روی سطح خود تقریبا هیچ پیوند آویزان ندارد؛ بنابراین رسوب‌دهی اکسیدهای مرسوم برای تشکیل یک فیلم یکنواخت و بدون نقص با مشکل روبه‌رو می‌شود. راه‌حل‌های رایج، از جمله لایه‌های بذر، تیمارهای سطحی یا شیمی اکسیدی متفاوت، تا حدی کمک کردند، اما هرگز نتوانستند هر سه هدف را هم‌زمان محقق کنند: ضخامت اکسید معادل بسیار کوچک، کنترل دقیق گیت و حفظ تحرک حامل‌ها.

کاری که این تیم انجام داد از آن جهت زیباست که در مقیاسی بسیار کوچک انجام شده است. پژوهشگران یک لایه اتمی منفرد از آلومینیوم را به‌صورت اپیتاکسیال روی دی‌سولفید مولیبدن نشاندند و سپس آن را به یک بافر اکسید آلومینیوم با ضخامت حدود ۰٫۴۲ نانومتر اکسید کردند. روی این لایه، دی‌الکتریک گیت از جنس اکسید هافنیوم با ضریب کاپای بالا رشد داده شد. اکسید آلومینیوم مانند یک پیِ میکروسکوپی و در عین حال یک میانجی عمل می‌کند: هم سطحی صاف برای رشد اکسید هافنیوم فراهم می‌سازد و هم برهم‌کنش‌های الکتریکی‌ای را مهار می‌کند که در حالت عادی کانال را تضعیف می‌کنند.

مهندسی این بافر اتمی ساختاری ایجاد کرد که ضخامت اکسید معادل آن نزدیک به یک نانومتر است و در عین حال انتقال الکترون را در دی‌سولفید مولیبدن تک‌لایه حفظ می‌کند.

رفتار این قطعات چگونه بود؟ ترانزیستورهای گیت‌بالای کوتاه‌کانال با کانال‌هایی در حدود ۱۰۰ نانومتر به اوج رسانایی انتقالی حدود ۰٫۴۵ میلی‌زیمنس بر میکرومتر رسیدند، نشتی کمی نشان دادند و هنگام جاروب رفت‌وبرگشتی ولتاژ گیت، پسماند بسیار اندکی از خود بروز دادند. به زبان ساده: گیت کنترل نیرومندی داشت، کانال همچنان جریان را به‌خوبی عبور می‌داد و قطعات در زمان اندازه‌گیری از نظر الکتریکی پایدار بودند.

این اعداد نه به این دلیل مهم‌اند که یک شاخص منفرد رکوردشکن است، بلکه چون چند ویژگی که در گذشته معمولا با هم در تعارض بودند هم‌زمان به دست آمده‌اند: کوچک‌سازی دی‌الکتریک تا نزدیک ۱ نانومتر، کنترل الکترواستاتیکی قوی و حفظ تحرک حامل‌ها؛ آن هم روی تک‌لایه‌های رشد یافته با رسوب‌دهی شیمیایی بخار که برای پردازش در مقیاس ویفر اهمیت دارند.

البته هنوز مصالحه‌هایی باقی مانده است. تکرارپذیری در سراسر ویفرهای کامل، قابلیت اطمینان بلندمدت و یکپارچه‌سازی با فرایندهای استاندارد سیماس همچنان به کار بیشتری نیاز دارند. اما این نتیجه صورت مسئله را از نو تعریف می‌کند. در ضخامت‌های اتمی، رابط فقط یک درز ساده نیست؛ بلکه به یک عنصر فعال در قطعه تبدیل می‌شود که می‌توان آن را طوری مهندسی کرد تا الکترون‌ها را هدایت کند، نه اینکه آن‌ها را پراکنده سازد. این تغییر نگاه، از تعویض مواد به تراش دادن و طراحی مرز میان آن‌ها، می‌تواند مسیرهای تازه‌ای را برای منطق کم‌مصرف و دیگر الکترونیک‌های پیشرفته باز کند، به‌ویژه اکنون که کوچک‌سازی متعارف سیلیکون کند شده است.

پروفسور ون-هائو چانگ از دانشگاه یانگ مینگ چیاو تونگ تأکید می‌کند که مرز میان مواد می‌تواند به اندازه خود مواد اثرگذار باشد. پروفسور تسونگ-اِن لی نیز می‌افزاید که مهندسی رابط با دقت اتمی درجه‌های آزادی‌ای به طراحان می‌دهد که تغییر یک ماده منفرد قادر به فراهم کردن آن نیست. این چرخش فکری ظریف است، اما اهمیت زیادی دارد.

این آزمایش همچنین یک مزیت عمل‌گرایانه را برجسته می‌کند: استفاده از دی‌سولفید مولیبدن رشد یافته با رسوب‌دهی شیمیایی بخار به این معناست که این نمایش فقط به پولک‌های بسیار کوچک جداشده محدود نیست. روش‌های رشد برای تک‌لایه‌های در مقیاس ویفر از پیش وجود دارند؛ چالش باقی‌مانده، پیوند دادن این فیلم‌ها با مهندسی رابط قابل اعتماد و تکرارپذیر و همچنین پردازشی سازگار با ابزارهای صنعتی است.

می‌توان آن را به تنظیم اتصالات به جای تعویض تیرها تشبیه کرد. صنعت تراشه سال‌ها به جایگزینی مواد و کوچک‌سازی هندسی تکیه کرده است. با ورود ابعاد به قلمرو اتمی، همین درزها، یعنی رابط‌هایی با ضخامت چند اتم، تعیین می‌کنند که یک ماده امیدوارکننده به فناوری قابل استفاده تبدیل شود یا نه.

میان این نتیجه آزمایشگاهی و یک ترانزیستور تجاری هنوز مهندسی فراوانی لازم است، اما این کار جهت‌گیری روشنی را نشان می‌دهد: برای قطعات نازک در مقیاس اتمی، تسلط بر رابط‌ها شاید از جست‌وجوی یک ماده معجزه‌آسا مهم‌تر باشد. جهش بعدی ممکن است نه از یک ترکیب تازه، بلکه از یاد گرفتن چگونگی لایه‌نشانی مواد آشنا با مراقبت اتمی به دست آید.