TSMC یک گام بزرگ به ترانزیستورهای زیر یک نانومتر نزدیک‌تر شد

شرکت TSMC، بزرگ‌ترین سازنده‌ی تراشه‌ی جهان، در همکاری با دانشگاه ملی یانگ‌مینگ چیائوتونگ (NYCU) در تایوان به یک پیشرفت کلیدی در مسیر ساخت ترانزیستورهای زیر یک نانومتر دست پیدا کرده است. نکته‌ی مهم این پژوهش این است که به‌جای دنبال‌کردن مواد کاملاً جدید، محققان روش ساخت لایه‌ی موجود را طوری تغییر داده‌اند که یک مانع ساختاری قدیمی را دور بزنند.

چرا کوچک‌تر کردن ترانزیستورها این‌قدر سخت شده

بیشتر تراشه‌های امروزی از ترانزیستورهای سه‌بعدی مثل FinFET یا GAAFET استفاده می‌کنند که در آن‌ها گیت دور کانال هدایت‌کننده‌ی جریان می‌پیچد تا کنترل بهتری روی عبور الکترون‌ها داشته باشد. مشکل از جایی شروع می‌شود که سازندگان برای جا دادن ترانزیستورهای بیشتر در یک تراشه، ضخامت این کانال را کاهش می‌دهند. وقتی طول کانال به بازه‌ی ۳ تا ۵ نانومتر می‌رسد، گیت دیگر نمی‌تواند به‌خوبی جریان را کنترل کند، و در ضخامت‌های کمتر از حدود ۳ نانومتر، الکترون‌ها مستقیماً با گیت برخورد می‌کنند و مقاومت تراشه بالا می‌رود.

راه‌حل: یک ماده به‌ضخامت یک لایه‌ی مولکولی

راه فرار صنعت از این بن‌بست، ترانزیستورهای تک‌لایه‌ی دوبعدی است؛ موادی که چون فقط به‌اندازه‌ی یک لایه‌ی مولکولی ضخامت دارند، هم کنترل بهتری از گیت روی جریان می‌دهند و هم مقاومت را پایین نگه می‌دارند. ماده‌ی مورد استفاده در این پژوهش، مولیبدن دی‌سولفید (MoS₂) است که ضخامت طبیعی‌اش تنها ۰.۷ نانومتر است. مشکل اینجاست که ساخت لایه‌ی عایق گیت روی سطح این ماده با روش‌های رسوب‌گذاری معمول، لایه‌ای ناهموار و غیرقابل‌اعتماد به‌جا می‌گذارد.

ترفند TSMC و NYCU: یک لایه‌ی آلومینیومی فوق‌نازک

تیم مشترک TSMC و NYCU به‌جای طراحی یک ماده‌ی کاملاً جدید، سطح مولیبدن دی‌سولفید را با یک لایه‌ی فوق‌نازک آلومینیوم پوشانده و اجازه داده‌اند اکسید شود. نتیجه، لایه‌ای از اکسید آلومینیوم به‌ضخامت فقط ۰.۴۲ نانومتر است که به‌عنوان یک بافر یکنواخت عمل می‌کند. روی همین بافر، سپس لایه‌ی عایق گیت اصلی از جنس اکسید هافنیوم با ضریب دی‌الکتریک بالا نشانده شده است. نتیجه‌ی نهایی، کنترلی به‌مراتب دقیق‌تر روی جریان الکترون و مقاومتی پایین‌تر است، آن‌هم در ترانزیستوری با لایه‌ی عایق گیتی که از نظر عملکرد معادل ضخامت ۱ نانومتر است.

تحلیل

این خبر شاید در نگاه اول یک پیشرفت آزمایشگاهی کوچک به‌نظر برسد، اما دقیقاً همین نوع پیشرفت‌های تدریجی است که مسیر آینده‌ی صنعت تراشه را تعیین می‌کند. وقتی TSMC می‌گوید به فناوری زیر یک نانومتر نزدیک شده، منظور نسل بعدی گوشی‌ها، لپ‌تاپ‌ها و مرکز‌داده‌های هوش مصنوعی است که چند سال بعد قرار است روی همین دستاوردهای امروز ساخته شوند. برای کاربر عادی، معنای عملی‌اش تراشه‌هایی است که هم قدرت پردازشی بالاتری دارند و هم مصرف انرژی کمتری؛ دقیقاً همان مسیری که اپل، کوالکام و سامسونگ هم برای نسل‌های بعدی پردازنده‌های موبایل‌شان روی آن حساب باز کرده‌اند.