ترانزستور أشباه الموصلات المركب الصغير يمكن أن يتحدى هيمنة السيليكون | إميرالد إنسايت

يمكن أن يتحدى ترانزستور أشباه الموصلات المركب الصغير هيمنة السيليكون

نوع المقال: أخبار الصناعة من: Microelectronics International ، المجلد 30 ، العدد 2

طور باحثو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أصغر ترانزستور من زرنيخيد الغاليوم الإنديوم تم بناؤه على الإطلاق

تاج السيليكون مهدد: يمكن ترقيم أيام أشباه الموصلات كملك للرقائق الدقيقة لأجهزة الكمبيوتر والأجهزة الذكية ، وذلك بفضل تطوير أصغر ترانزستور على الإطلاق يتم بناؤه من مادة منافسة ، وهي زرنيخيد الإنديوم الغاليوم.

يعمل الترانزستور المركب ، الذي تم بناؤه بواسطة فريق في مختبرات Microsystems Technology التابعة لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، بشكل جيد على الرغم من كونه بطول 22 نانومتر (جزء من المليار من المتر). هذا يجعله مرشحًا واعدًا لاستبدال السيليكون في نهاية المطاف بأجهزة الحوسبة ، كما يقول المطور المشارك خيسوس ديل ألامو ، أستاذ العلوم في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) ، قسم الهندسة الكهربائية وعلوم الكمبيوتر (EECS) ، الذي بنى الترانزستور مع طالب الدراسات العليا في EECS جيانكيان لين. وديمتري أنطونيادس ، أستاذ راي وماريا ستاتا للهندسة الكهربائية.

لمواكبة طلبنا لأجهزة الحوسبة الأسرع والأكثر ذكاءً ، يتقلص حجم الترانزستورات باستمرار ، مما يسمح بضغط أعداد متزايدة منها على الرقائق الدقيقة. يقول ديل ألامو: "كلما زاد عدد الترانزستورات التي يمكنك تعبئتها على شريحة ، زادت قوة الشريحة ، وكلما زاد عدد الوظائف التي ستؤديها الشريحة" ، كما يقول ديل ألامو.

ولكن نظرًا لتقليل ترانزستورات السيليكون إلى مقياس نانومتر ، فإن كمية التيار التي يمكن أن تنتجها الأجهزة تتقلص أيضًا ، مما يحد من سرعة تشغيلها. وقد أدى ذلك إلى مخاوف من أن قانون مور - التنبؤ من قبل مؤسس شركة إنتل جوردون مور بأن عدد الترانزستورات على الرقائق الدقيقة سيتضاعف كل عامين - قد يكون على وشك الانتهاء ، كما يقول ديل ألامو.

للحفاظ على قانون مور على قيد الحياة ، كان الباحثون لبعض الوقت يدرسون بدائل للسيليكون ، والتي يمكن أن تنتج تيارًا أكبر حتى عند العمل في هذه المقاييس الأصغر. يقول ديل ألامو إن إحدى هذه المواد هي مركب زرنيخيد الإنديوم الغاليوم ، والذي يستخدم بالفعل في اتصالات الألياف الضوئية وتقنيات الرادار ، ومن المعروف أن له خصائص كهربائية جيدة للغاية. ولكن على الرغم من التطورات الحديثة في معالجة المادة للسماح بتكوينها في ترانزستور بطريقة مشابهة للسيليكون ، لم يتمكن أحد حتى الآن من إنتاج أجهزة صغيرة بما يكفي لتعبئتها بأعداد متزايدة في رقائق الغد.

أظهر دل ألامو وأنتونيادس ولين الآن أنه من الممكن بناء ترانزستور تأثير مجال أشباه الموصلات المعدنية بأكسيد معدني نانومتري (MOSFET) - النوع الأكثر استخدامًا في التطبيقات المنطقية مثل المعالجات الدقيقة - باستخدام المادة. يقول ديل ألامو: "لقد أظهرنا أنه يمكنك صنع دوائر MOSFET صغيرة جدًا لزرنيخيد الغاليوم الإنديوم بخصائص منطقية ممتازة ، والتي تعد بأخذ قانون مور بعيدًا عن متناول السيليكون".

تتكون الترانزستورات من ثلاثة أقطاب: البوابة والمصدر والمصرف ، مع البوابة التي تتحكم في تدفق الإلكترونات بين الاثنين الآخرين. نظرًا لأن الفراغ في هذه الترانزستورات الصغيرة ضيق جدًا ، يجب وضع الأقطاب الثلاثة على مقربة شديدة من بعضها البعض ، وهو مستوى من الدقة يستحيل على الأدوات المتطورة تحقيقه. وبدلاً من ذلك ، يسمح الفريق للبوابة "بمحاذاة نفسها" بين القطبين الآخرين.

قام الباحثون أولاً بتنمية طبقة رقيقة من المادة باستخدام epitaxy الحزمة الجزيئية ، وهي عملية تستخدم على نطاق واسع في صناعة أشباه الموصلات حيث تتفاعل الذرات المتبخرة من الإنديوم والغاليوم والزرنيخ مع بعضها البعض داخل فراغ لتشكيل مركب بلوري واحد. يقوم الفريق بعد ذلك بترسيب طبقة من الموليبدينوم كمصدر للمعدن الملامس وتصريفه. ثم "يرسمون" نمطًا دقيقًا للغاية على هذه الركيزة باستخدام حزمة مركزة من الإلكترونات - وهي تقنية تصنيع أخرى معروفة باسم الطباعة الحجرية لشعاع الإلكترون.

ثم يتم حفر المناطق غير المرغوب فيها من المواد بعيدًا ويترسب أكسيد البوابة على الفجوة الصغيرة. أخيرًا ، يُطلق الموليبدينوم المتبخر على السطح ، حيث يشكل البوابة ، مضغوطًا بإحكام بين القطبين الآخرين ، كما يقول ديل ألامو. يقول: "من خلال الجمع بين النقش والترسيب يمكننا وضع البوابة [بين الأقطاب] مع وجود فجوات صغيرة حولها".

على الرغم من أن العديد من التقنيات التي طبقها الفريق مستخدمة بالفعل في تصنيع السيليكون ، إلا أنه نادرًا ما يتم استخدامها لصنع ترانزستورات أشباه الموصلات المركبة. هذا جزئيًا لأنه في تطبيقات مثل اتصالات الألياف الضوئية ، لا تمثل المساحة مشكلة. يقول ديل ألامو: "لكن عندما تتحدث عن دمج بلايين من الترانزستورات الصغيرة في شريحة ، فإننا نحتاج إلى إعادة صياغة تكنولوجيا تصنيع ترانزستورات أشباه الموصلات المركبة تمامًا لتبدو أكثر شبهاً بترانزستورات السيليكون".

ستكون خطوتهم التالية هي العمل على تحسين الأداء الكهربائي - ومن ثم السرعة - للترانزستور من خلال القضاء على المقاومة غير المرغوب فيها داخل الجهاز. بمجرد تحقيق ذلك ، سيحاولون تقليص الجهاز بشكل أكبر ، بهدف نهائي هو تقليل حجم الترانزستور إلى أقل من 10 نانومتر في طول البوابة.

تم تمويل البحث من قبل DARPA ومؤسسة أبحاث أشباه الموصلات.