On ildən çoxdur ki, atom baxımından nazik yarımkeçiricilər ənənəvi silikondan kənarda perspektivli bir yol kimi seçilir. Bu materiallar təsirli elektrik xüsusiyyətləri təklif etməklə yanaşı, yalnız bir atom qalınlığında ola bilər. Prinsipcə, onlar bugünkü cihazlardan daha kiçik, daha sürətli və daha enerjiyə qənaət edən tranzistorlar yaratmağa imkan verə bilər. Lakin tədqiqatçılar getdikcə daha güclü ikiölçülü yarımkeçirici materialları kəşf etsələr də, bir inadkar mühəndislik problemi qalmaqdadır.

İşləyən tranzistor, qapı dielektriki kimi tanınan son dərəcə nazik bir izolyasiya təbəqəsi tələb edir. Bu təbəqə yarımkeçirici üzərində yerləşir və elektronların hərəkətini idarə etməyə kömək edir. Tranzistorlar kiçildikcə, bu izolyasiya təbəqəsini daha incə etmək elektrik nəzarətini yaxşılaşdıra bilər. Çətinlik ondadır ki, atom baxımından nazik yarımkeçiricilərə bu cür təbəqələrin əlavə edilməsi materiallar arasındakı incə interfeysi poza bilər. Bu pozuntu elektronları səpə bilər və mühəndislərin əldə etməyə çalışdıqları bəzi performans qazanclarını silə bilər.

Buna görə də illərdir tədqiqatçılar çətin bir güzəştlə üzləşirlər. Onlar tranzistor qapısı üzərində nəzarəti gücləndirə və ya cihazdan keçən yük daşıyıcılarının hərəkətliliyini qoruya bilərlər. Hər ikisinə eyni anda nail olmaq daha çətin olub.

Atom baxımından nazik tranzistorlar üçün yeni bir strategiya

Milli Yanq Minq Çiao Tung Universitetinin (NYCU) tədqiqatçıları TSMC Korporativ Tədqiqat şirkəti ilə birlikdə interfeysin özünə diqqət yetirərək bu problemi həll etməyin yeni bir yolunu nümayiş etdiriblər.

“Nature Electronics” jurnalında dərc olunmuş bu iş göstərir ki, yarımkeçirici ilə onun izolyasiya təbəqəsi arasındakı atom sərhədinin diqqətlə idarə olunması, güclü elektrik performansını qoruyarkən dielektrikin son dərəcə nazik hala gətirilməsinə imkan verə bilər. Tədqiqatçılar tamamilə fərqli bir yarımkeçirici axtarmaq əvəzinə, iki materialın birləşdiyi dar bir bölgəyə, yalnız bir neçə atom qalınlığında bir sahəyə diqqət yetirdilər.

Tədqiqatın NYCU-dan olan müxbir müəllifi professor Ven-Hao Çanq bildirib ki, “Uzun illərdir atom baxımından nazik tranzistorların təkmilləşdirilməsi səyləri əsasən daha yaxşı yarımkeçirici materialların kəşfinə yönəlib. Tədqiqatımız göstərir ki, materiallar arasındakı atom interfeysi də eyni dərəcədə vacib ola bilər. Bu sərhədi mühəndisliklə təmin etməklə, uzun illərdir ikiölçülü tranzistorların məhdud olmasına səbəb olan fundamental güzəştlərdən birini azalda bildik.”

Atom İnterfeysi Niyə Vacibdir?

Müasir çiplərin inkişafı, tranzistor komponentlərinin kiçilməsindən çox asılıdır. Ən vaciblərindən biri, qapı elektrodunu tranzistor kanalından elektrik baxımından ayıran qapı dielektrikidir.

Silikon texnologiyası onilliklər boyu davam edən təkmilləşdirmələrdən faydalanaraq istehsalçılara getdikcə daha kiçik cihazları idarə edə bilən dielektrik materiallar istehsal etməyə imkan verdi. Lakin atom baxımından nazik yarımkeçiricilər fərqli davranırlar. Onların səthlərində sallanan rabitələr yoxdur, bu da onların üzərində bərabər şəkildə son dərəcə nazik dielektrik təbəqə yetişdirməyi çətinləşdirir.

Standart çökdürmə üsulları boşluqlar yarada, interfeysdə qüsurlar yarada və elektrik pozğunluğuna səbəb ola bilər. Bu problemlər daşıyıcıların hərəkətliliyini azalda və tranzistorların işini zəiflədə bilər.

Dünyanın hər yerindən tədqiqatçılar müxtəlif dielektrik materiallar, molekulyar toxum təbəqələri və oksidlərin çökdürülməsi üçün alternativ üsullar da daxil olmaqla bir neçə mümkün həll yolu araşdırıblar. Bu yanaşmalar əhəmiyyətli irəliləyişlər əldə etsə də, eyni zamanda aşağı ekvivalent oksid qalınlığına, güclü elektrostatik nəzarətə və yüksək daşıyıcı hərəkətliliyinə nail olmaq çətin olaraq qalır. Bu çətinlik, xüsusən də lövhə miqyaslı CVD-də yetişdirilən MoS2 monolayerində daha _{əhəmiyyətlidir} .

Buferin Qurulması Yalnız Bir Nanometr Qalınlığının Bir Fəsri

NYCU tədqiqatçıları yarımkeçirici və ya qapı dielektrikini dəyişdirmək əvəzinə, onları birləşdirən interfeysi yenidən dizayn etdilər.

Komanda əvvəlcə ultra nazik epitaksial alüminium təbəqəni birbaşa monolayer molibden disulfidinin (MoS2) üzərinə yerləşdirdi _. Daha sonra alüminiumu diqqətlə oksidləşdirərək təxminən 0,42 nanometr qalınlığında alüminium oksid təbəqəsi əmələ gətirdilər. Bundan sonra yüksək κ hafnium oksid qapısı dielektrikini əlavə etdilər.

Nanometr qalınlığının yalnız bir hissəsi olmasına baxmayaraq, mühəndislik interfeysi iki vacib işi yerinə yetirir.

_{Birincisi, hafnium oksidinin MoS2} üzərində daha bərabər şəkildə böyüməsinə imkan verən hamar və davamlı bir səth yaradır . İkincisi, dielektrik və yarımkeçirici arasında istənməyən elektrik qarşılıqlı təsirlərini məhdudlaşdıran atom buferi kimi işləyir. Bu qoruma elektronların tranzistor kanalı boyunca səmərəli şəkildə hərəkət etməsinə kömək edir.

Bu dizaynda interfeys sadəcə iki materialı bir-birindən ayırmaqdan daha çox şey edir. O, tranzistorun funksional hissəsinə çevrilir və materialların daha effektiv şəkildə birlikdə işləməsinə kömək edir.

İncə Dielektriklərin Güclü Performansla Birləşdirilməsi

Tədqiqatçılar yeni interfeys dizaynından istifadə edərək CVD-də yetişdirilən MoS2 monolayerindən qısa kanallı üst qapılı tranzistorlar hazırladılar _. Cihazların təxminən bir nanometr ekvivalent oksid qalınlığı var idi.

Testlər , təxminən 100 nanometr ölçülü kanalları olan tranzistorlarda aşağı sızma cərəyanı, minimal histerezis və maksimum 0,45 mS μm ^{-1 transkeçiricilik göstərdi.}

Daha da əhəmiyyətlisi, cihazlar atom baxımından nazik tranzistorlarda əldə edilməsi çətin olan bir kombinasiyanı nümayiş etdirdi: çox nazik dielektrik miqyaslama, güclü elektrostatik nəzarət və davamlı daşıyıcı daşınması.

Tədqiqatçılar mexaniki şəkildə soyulmuş lopalar əvəzinə CVD-də yetişdirilən MoS2 monolayerindən istifadə etdikləri üçün _, bu yanaşmanın texnologiyanı nəticədə lövhə istehsalı üçün uyğun ola biləcək materiallara və proseslərə daha da yaxınlaşdırdığına inanırlar.

Gələcək Çiplərin Necə Dizayn Edildiyinə Yenidən Baxmaq

Tapıntılar həmçinin yarımkeçirici tədqiqatçıların tranzistor dizaynı haqqında düşüncə tərzində daha geniş bir dəyişikliyə işarə edir.

Onilliklər ərzində tranzistorları təkmilləşdirmək səylərinin əksəriyyəti daha yaxşı yarımkeçirici materialların kəşfinə və ya cihazların daha kiçik edilməsinə yönəlmişdir. Lakin tranzistor komponentləri atom ölçülərinə yaxınlaşdıqca, müxtəlif materialları ayıran interfeyslər getdikcə daha vacib hala gəlir.

Bu bölgələr cəmi bir neçə atom qalınlığında ola bilər, lakin hər iki tərəfdəki materialların nə dərəcədə yaxşı işləməsinə güclü təsir göstərə bilər. Yeni nəticələr, bu atom interfeyslərinin idarə olunmasının yeni yarımkeçirici materialların özlərinin hazırlanması qədər vacib ola biləcəyinə dair artan dəlilləri artırır.

Tədqiqatın müvafiq müəllifi professor Tsunq-En Li bildirib ki, “Transistor komponentləri yalnız bir neçə atom təbəqəsi qalınlaşdıqda, interfeys artıq sadəcə materiallar arasındakı sərhəd deyil, cihazın aktiv hissəsinə çevrilir. Bu interfeysləri atom dəqiqliyi ilə mühəndisliklə hazırlamağı öyrənmək, yalnız fərdi materialları dəyişdirməklə əldə edilməsi çətin olacaq gələcək yarımkeçirici cihazların dizaynı üçün yeni imkanlar açır.”

Silikondan kənarda mümkün bir yol

Yarımkeçirici sənayesi ənənəvi silikon miqyasından kənarda çipləri təkmilləşdirməyə davam etməyin yollarını axtardıqca, atom baxımından nazik materiallar gələcək aşağı güclü məntiq və qabaqcıl elektron sistemlər üçün getdikcə daha çox diqqət çəkir.

İstehsal prosesi genişmiqyaslı istehsal üçün optimallaşdırılmadan əvvəl daha çox iş görülməlidir. Buna baxmayaraq, tədqiqatçılar interfeys mühəndisliyi metodlarını praktik ikiölçülü elektronikaya doğru vacib bir addım kimi görürlər.

Nəticələr göstərir ki, gələcək yarımkeçiricilərin inkişafı yalnız yeni materialların kəşfindən deyil, həm də onları birləşdirən atom sərhədlərinin dəqiq şəkildə necə idarə olunacağını öyrənməkdən asılı ola bilər. Tranzistorlar fərdi atomların ölçülərinə doğru kiçildikcə, bu interfeyslər cihazların özlərinin ən vacib hissələrindən birinə çevrilə bilər.