กฎของมัวร์: นักวิทยาศาสตร์เพิ่งสร้างแกรฟีนทรานซิสเตอร์เกทความกว้างของอะตอม

ไม่มีการกระทำใดที่มหัศจรรย์ในเทคโนโลยีมากไปกว่าการใช้มือที่คล่องแคล่วโดย กฎของมัวร์ ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่ครั้งหนึ่งเคยพอดีกับฝ่ามือของคุณได้หายไปจากปรมาณู หายตัวไปจากโลกของเราเพื่อพำนักอยู่ในอาณาจักรควอนตัม

แต่ตอนนี้เรากำลังขจัดขอบเขตอันขมขื่นของเทรนด์นี้ ใน บทความที่ ตีพิมพ์ใน Nature ในสัปดาห์นี้ นักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัย Tsinghua ในเซี่ยงไฮ้เขียนว่าพวกเขาได้สร้างเกททรานซิสเตอร์แบบกราฟีนที่มีความยาว 0.34 นาโนเมตร (นาโนเมตร) หรือขนาดประมาณอะตอมของคาร์บอนเพียงตัวเดียว

เกท ซึ่งเป็นส่วนประกอบชิปที่ใช้เปิดและปิดทรานซิสเตอร์ เป็นตัววัดขนาดทรานซิสเตอร์ที่สำคัญ การวิจัยก่อนหน้านี้ได้ผลักความยาวของเกทไปที่หนึ่งนาโนเมตร หรือ ต่ำกว่า นั้นแล้ว โดยการปรับขนาดความยาวเกทให้เหลือเท่าอะตอมเดี่ยว ผลงานล่าสุดได้กำหนดเครื่องหมายใหม่ที่จะไม่มีใครเทียบได้ “ในอนาคต แทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่ผู้คนจะสร้างเกตที่มีความยาวน้อยกว่า 0.34 นาโนเมตร” Tian-Ling Ren ผู้เขียนอาวุโสของหนังสือพิมพ์ กล่าวกับ IEEE Spectrum “นี่อาจเป็นโหนดสุดท้ายสำหรับกฎของมัวร์”

การแกะสลักแซนวิช 2 มิติ

ทรานซิสเตอร์มีส่วนประกอบหลักสองสามอย่าง ได้แก่ แหล่งที่มา การระบายน้ำ ช่อง และเกท กระแสไฟฟ้าไหลจากแหล่งกำเนิด ผ่านช่องทาง ผ่านประตู และเข้าสู่ท่อระบายน้ำ เกตจะเปิดหรือปิดกระแสนี้ขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าที่ใช้

ความก้าวหน้าล่าสุดในการย่อขนาดเกททรานซิสเตอร์ขั้นสุดต้องอาศัยวัสดุที่น่าสนใจบางอย่าง ตัวอย่างเช่น ในปี 2016 นักวิจัยใช้ท่อนาโนคาร์บอน ซึ่งเป็นแผ่นคาร์บอนหนาอะตอมเดียวรีดเป็นกระบอกสูบ และวัสดุ 2 มิติที่เรียกว่าโมลิบดีนัมไดซัลไฟด์เพื่อให้ได้ความยาวเกตหนึ่งนาโนเมตร ซิลิคอนเป็นสารกึ่งตัวนำที่ดีกว่า เนื่องจากกระแสไฟฟ้ามีความต้านทานมากขึ้นในโมลิบดีนัมไดซัลไฟด์ แต่เมื่อความยาวของเกตลดลงต่ำกว่า 5 นาโนเมตร อิเล็กตรอนจะรั่วไหลผ่านประตูในทรานซิสเตอร์ซิลิคอน ความต้านทานตามธรรมชาติของโมลิบดีนัมไดซัลไฟด์ช่วยป้องกันการรั่วซึมนี้ในระดับที่เล็กที่สุด

จากงานก่อนหน้านี้นักวิจัยในการศึกษาล่าสุดยังเลือกโมลิบดีนัมซัลไฟด์สำหรับวัสดุช่องและประตูคาร์บอน แต่แทนที่จะเป็นท่อนาโนคาร์บอนซึ่งมีขนาดข้ามนาโนเมตร พวกมันกลับดูเล็กลง คลี่ท่อนาโนออกแล้วคุณจะได้แผ่นงานที่ทำจากอะตอมของคาร์บอนที่เรียกว่ากราฟีน กราฟีนมีคุณสมบัติที่น่าสนใจมากมาย หนึ่งในนั้นมีคุณสมบัติการนำไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม ความกว้างและความยาวของแผ่นกราฟีนนั้นแน่นอนว่าใหญ่กว่าท่อนาโน แต่ขอบนั้นมีความหนาเพียงอะตอมของคาร์บอน ทีมงานใช้ทรัพย์สินนี้อย่างชาญฉลาด

ขั้นแรกพวกเขาวางชั้นของซิลิกอนสำหรับโครงสร้างฐาน จากนั้นใช้วิธีการผลิตกราฟีนที่เรียกว่าการสะสมไอเคมี พวกเขาวางแผ่นกราฟีนบนซิลิกอนไดออกไซด์และชั้นของอะลูมิเนียมออกไซด์บนกราฟีน อะลูมิเนียมออกไซด์และซิลิกอนไดออกไซด์ที่ประกบกราฟีนทำหน้าที่เป็นฉนวน ซึ่งตัดคุณสมบัติทางไฟฟ้าของทรานซิสเตอร์ออกจากส่วนที่เหลือของทรานซิสเตอร์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ จากนั้นจึงสลักลงในวัสดุที่ประกบไว้เพื่อสร้างขั้นบันได ซึ่งมีรูปร่างเหมือนกับบันไดในบ้านของคุณ และในกระบวนการนี้ เผยให้เห็นขอบของแผ่นกราฟีนในผนังแนวตั้งของขั้นบันได ซึ่งทำให้ประตูบางเป็นอะตอม พวกเขาเรียกโครงสร้างนี้ว่า “ทรานซิสเตอร์แก้มยาง”

ในขั้นตอนสุดท้าย ทีมงานได้วางชั้นของแฮฟเนียมออกไซด์—เพื่อเพิ่มช่องว่างเล็กน้อยระหว่างเกตและช่อง—และชั้นของโมลิบดีนัมไดซัลไฟด์เพื่อสร้างช่อง จากนั้นจึงเพิ่มอิเล็กโทรดโลหะสองอัน อันหนึ่งอยู่ด้านบนและอีกอันที่ด้านล่าง เป็นแหล่งและระบาย

ทรานซิสเตอร์แก้มยางที่มีประตูกราฟีน เครดิตภาพ: Wu, F. , Tian, ​​H. , Shen, Y. et al. ทรานซิสเตอร์ MoS2 แนวตั้งที่มีความยาวเกทต่ำกว่า 1 นาโนเมตร ธรรมชาติ 603, 259–264 (2022) https://doi.org/10.1038/s41586-021-04323-3

เทคนิคใหม่นี้ไม่ต้องการให้นักวิจัยกำหนดตำแหน่งกราฟีนอย่างแม่นยำเพื่อให้ประตูทำงานได้ นี่เป็นหนึ่งในความท้าทายครั้งใหญ่ของการใช้ท่อนาโนคาร์บอน ไม่ใช่เรื่องง่ายเลยที่จะทำให้พวกมันปรับตัวได้ตรงจุดที่ต้องการ

มัวร์เพิ่มเติม

เพื่อความชัดเจน งานนี้เป็นการพิสูจน์แนวคิด: นักวิจัยไม่ได้ปรับขนาดวิธีการอย่างมีความหมาย การสร้างทรานซิสเตอร์จำนวนหนึ่งไม่เหมือนกับการผลิตชิปหลายพันล้านตัวและการผลิตชิปนับพันล้านชิ้นอย่างไม่มีที่ติเพื่อใช้ในแล็ปท็อปและสมาร์ทโฟน Ren ยังชี้ให้เห็นว่าวัสดุ 2D เช่น โมลิบดีนัมไดซัลไฟด์ ยังคงมีราคาแพง และการผลิตสิ่งคุณภาพสูงตามขนาดเป็นสิ่งที่ท้าทาย

เทคโนโลยีใหม่ๆ เช่น ทรานซิสเตอร์ซิลิคอนแบบ gate-all-around มีแนวโน้มที่จะเข้าสู่แล็ปท็อปหรือโทรศัพท์ของคุณในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า นอกจากนี้ ยังเป็นที่น่าสังเกตว่าผลพวงของกฎของมัวร์—ที่ คอมพิวเตอร์ จะยังคงมีประสิทธิภาพมากขึ้นและราคาถูกลงในอัตราเลขชี้กำลัง— ยังสามารถขับเคลื่อนโดยการ ปรับแต่งซอฟต์แวร์หรือการเปลี่ยนแปลงสถาปัตยกรรม เช่น การใช้มิติที่สามเพื่อซ้อนส่วนประกอบไว้บนสุด อื่น.

ถึงกระนั้น การวิจัยยังสำรวจและกำหนดขอบขมขื่นของการย่อขนาดให้ดีขึ้นกว่าเดิม ซึ่งอาจกำหนดขอบเขตล่างที่อาจไม่แตกสลายไปหลายปี นอกจากนี้ยังแสดงให้เห็นถึงวิธีที่ชาญฉลาดในการใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติที่ต้องการมากที่สุดของวัสดุ 2D ในชิป และหากกลั่นกรองเพิ่มเติม แนวทางซึ่งไม่อาศัยการวางตำแหน่งที่แน่นอนของส่วนประกอบและพึ่งพาเทคโนโลยีการผลิตชิปทั่วไปอยู่แล้ว ดูเหมือนจะมีศักยภาพที่จะขยายขนาดได้

การลดขนาดชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์จากนิ้วเป็นอะตอมในช่วงเวลาสั้น ๆ ของทศวรรษยังคงเป็นหนึ่งในเทคนิคที่ล้ำเลิศที่สุดของวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

เครดิตรูปภาพ: Yulissa Tagle / Unsplash