كشف مادهاي جديد شايد به ساخت ترانزيستورهاي بسيار كوچك منجر شود
در دنياي نيمههادي يك اصطلاح طنز مرسوم وجود دارد كه قانون مور را پوشش ميدهد. اين اصطلاح ميگويد تعداد افرادي كه مرگ قانون مور را پيشبيني ميكنند، با گذشت هر دو سال، دوبرابر ميشود. قانون مور، به انديشه متخصصينيهي گوردون مور در دههي ۱۹۷۰ باز ميگردد. او كه يكي از همبنيانگذارهاي اينتل، غول دنياي پردازنده است، در انديشه متخصصينيهاش ادعا ميكرد كه با گذشت هر دو سال، تعداد ترانزيستورهاي قابل جانمايي در يك تراشهي سيليكوني دوبرابر ميشود. در ميانهي دههي ۱۹۸۰، تعداد ترانزيستورهاي موجود در تراشه از يك ميليون بالاتر رفت و برخي تصور كردند كه روند رشد، كاهش پيدا ميكند. در سال ۲۰۰۵، تعداد به بيش از يك ميليارد قطعه رسيد و باز هم برخي ادعاي ناپايدار بودن پيشرفت را مطرح كردند. اكنون بيش از ۵۰ ميليارد ترانزيستور در هر تراشهي سيليكوني وجود دارد و ظاهرا توليدكنندهها در مسير افزايش هرچه بيشتر تعداد هستند.
در وضعيت كنوني صنعت، كوچكترين قطعات الكترونيكي يك تراشهي سيليكوني (ترانزيستورها و ديودها)، فاصلهاي حدود هفت نانومتر دارند. اين عدد، يكهزارم قطر يك سلول گلبول قرمز است. رسيدن به چنين ابعاد كوچكي، با چالشهاي بسياري نيز همراه ميشود. هرچه قطعات كوچكتر شوند، الكترونها از اتصال بين آنها به بيرون درز ميكنند و منجر به تداخل يا عدم پايداري ميشوند. دراينميان، طرفداران مرگ قانون مور دوباره خود را نشان دادهاند، اما ظاهرا متخصصان علم مواد، راهكاري براي چالش كنوني دارند. محققان كرهي جنوبي و بريتانيا به پاسخي براي اشكال خروج الكترونها دست پيدا كردهاند و مادهاي بهتر براي عايقبندي قطعات معرفي ميكنند. آنها فيلم نازكي از جنس نيتريد بور (a-BN) بيشكل را پيشنهاد ميدهند.
نيتريد بور بيشكل، اشكال نشت كردن الكترون در قطعات الكترونيكي بسيار كوچك را حل ميكند
پسزمينهي ساخت مادهي نيتريد بور بسيار جالب بهانديشه متخصصين ميرسد. بور و نيتروژن در جدول تناوبي در دو سمت كربن قرار دارند. درنتيجه موادي كه از تركيب تعداد برابر اتمهاي نيتروژن و بور ساخته ميشوند، ساختار كريستالي شبيه به كربن پيدا ميكنند. به بيان ديگر، موادي شبيه به الماس و گرافيت وجود دارند كه از جنس نيتريد بور هستند. همچنين گزينههاي جايگزين از جنس نيتريد بور براي ساختارهاي بسيار ريز كربني همچون فلرن و نانوتيوب هم وجود دارد. در سال ۲۰۰۴ هم كه گرافين بهعنوان يكي از آلوتروپهاي جديد كربن معرفي شد (ساختاري شامل يك لايه از اتمهاي كربن كه شبيه به شانهي عسل جانماي شدهاند)، نسخهاي از جنس نيتريد بور آن نيز وجود داشت كه به در اصطلاح عموم بهنام گرافين سفيد شناخته ميشود.
گرافين سفيد در ميان مادههاي دوبعدي شهرت زيادي پيدا نكرد. مادههاي دوبعدي به همان لايههاي نازك اتمي گفته ميشوند كه گرافين و گرافين سفيد هم از همانها هستند. گرافين اصلي در زمان رونمايي بهخاطر قدرت بالا و توانايي انتقال مناسب گرما و الكتريسيته بهعنوان مادهاي جادويي و سرنوشتساز معروف شد. متخصص كارشناسان بر اين باور بودند كه گرافين ميتواند زماني براي ساخت ترانزيستورهايي بسيار كوچكتر از نمونههاي سيليكوني استفاده شود و قانون مور را زنده نگه خواهد داشت. البته گرافين براي چنين متخصصدي با يك اشكال بزرگ روبهرو بود. اين ماده، نوار ممنوعه ندارد.
نوار ممنوعه به زبان ساده به انرژي گفته ميشود كه براي عبور الكترون از يك ماده نياز خواهد بود. باريك بودن نوار ممنوعه يعني با مادهاي رسانا روبهرو هستيم. عريض بودن نوار نيز ماده را عايق ميكند. عدم وجود نوار ممنوعه در گرافين كه بسيار هم عجيب بهانديشه متخصصين ميرسد، آن را به يك رساناي عالي تبديل ميكند، اما براي تبديل شدن به مادهاي براي ساخت ترانزيستور، بايد خصوصيات نيمههادي در ماده وجود داشته باشد. درواقع مادهي توليد ترانزيستور بايد نوار ممنوعهاي بينابيني بين حالت بسيار باريك (رسانا) و بسيار عريض (عايق) داشته باشد. تاكنون تلاشهاي متعددي براي ساخت گرافينهايي انجام شده است كه خصوصيت جادويي مورد نياز را داشته باشند، اما دستاوردها هميشه محدود به آزمايشگاهها بودهاند.
مطالعهي گرافين و مواد مشابه آن، تجربههايي عالي را دراختيار متخصصان حوزهي مواد دوبعدي قرار داد و اينجا بود كه نقش نيتريد بور اهميت پيدا كرد. نيتريد بور بهخاطر نوار ممنوعهي عريض، متخصصدي بهعنوان نيمههادي ندارد. ازطرفي خصوصيات اين ماده، آن را به راهكاري مناسب براي جلوگيري از نشت كردن الكترون تبديل ميكند. همانطور كه گفته شد، محققان كرهي جنوبي (از سامسونگ) با همكاري دانشگاه كمبريج موفق به ساخت فيلم نازكي از نيتريد بور شدهاند كه ساختار ششضلعي مرسوم گرافين سفيد را ندارد. بههمين دليل به آن «بيشكل» گفته ميشود. درنهايت، روش توليد اين ماده شايد استفاده از آن را در فرايند ساخت تراشهها ممكن كند.
مواد فيلمي بسيار نازك عموما با روشي بهنام CVD يا انباشت بخار شيميايي ساخته ميشوند و نيتريد بور بيشكل هم بايد از همين روش پيروي كند. در روش CVD، مادهي موردانديشه متخصصين بخار ميشود و سپس بخار را در يك بستر مخصوص انباشته ميكنند. در دنياي ميكروالكترونيك، بستر مخصوص از جنس ويفر سيليكون است.
در شرايط عمومي براي مواد دوبعدي مانند گرافين يا گرافين سفيد، عمليات CVD در دماي بالاي ۷۰۰ درجهي سانتيگراد رسيدن به چنين دمايي براي كارخانههاي كنوني توليد تراشه آنچنان آسان نيست. البته محققان ميگويند با استفاده از فيلم بسيار نازك نيتريد بور، ميتوان فرايند را در دماي ۴۰۰ درجه هم انجام داد. دماي پايين يعني ميتوان مادهي جديد را با فناوريهاي كنوني در كارخانههاي توليد تراشهي كامپيوتري (مشهور به Fab) توليد كرد و نيازي به ارتقا تجهيزات و ماشينآلات نيست. حتي دانشمندان ميگويند ساخت a-BN از ديگر مواد دوبعدي هم آسانتر خواهد بود.
هم انديشي ها