ترانزيستورهاي نسل بعد نانوصفحات خواهند بود
ريزپردازندههاي مدرن از پيچيدهترين سيستمهاي بهكاررفته در دستگاههاي جهان هستند كه در قلب آنها، بخشي بسيار ساده و زيبا بهنام ترانزيستور وجود دارد. امروزه، ميلياردها ترانزيستور در ريزپردازندهها وجود دارد كه تقريبا همهي آنها ساختاري مشابه هم دارند. بهبود كارايي و افزايش تراكم اين ترانزيستورها سادهترين راه براي افزايش عملكرد ريزپردازندهها و رايانههايي است كه ريزپردازندهها به آنها نيرو ميدهند.
اين افزايش تراكم پايه و اساس قانون مور است. اين قانون بيان ميكند تعداد ترانزيستورهاي روي يك تراشه با مساحت ثابت، هر دو سال تقريبا دوبرابر ميشود؛ حتي اكنون كه ديگر اين قانون بهسختي اجراشدني است. باوجوداين مشاهده ميشود ساختن ترانزيستورهاي كوچكتر و بهتر براي ريزپردازندهها بدون درانديشه متخصصينگرفتن هزينهي سرسامآور ساخت اين تراشهها سختتر شده است. كاستن از اندازهي اين ترانزيستورها در چنين ابعادي، نيازمند امكاناتي است كه فقط شركتهاي اينتل و سامسونگ و صنايع نيمههادي تايوان (TSMC) از آن برخوردار و درحالحاضر در حال توليد مدارهاي مجتمع (IC) با ليتوگرافي هفت نانومتري هستند.
هفت نانومتري بودن ساختار ترانزيستورها مفهوم فيزيكي خاصي ندارد و فقط مقياسي براي نشاندادن ميزان كوچكشدگي دستگاههاي موجود در مدارهاي مجتمع است. اين سبك از نامگذاري از دوران كشف قانون مور مرسوم بود.
درحالحاضر، معماري پردازندهها با ليتوگرافي هفت نانومتري، جديدترين فناوري بهكاررفته در اين صنعت است؛ اما سامسونگ و TSMC در آوريل سال جاري اعلام كردند كار روي پردازندههاي خود با ليتوگرافي پنج نانومتري را آغاز كردهاند. البته، سامسونگ پا را از اين فراتر گذاشته و تصميم گرفته است با كنارگذاشتن سنتها در توليد پردازنده در يك دههي اخير، پردازندههاي جديدي را از سال ۲۰۲۰ با ليتوگرافي سه نانومتري و تكيه بر طراحي جديد بهصورتي محدود توليد و روانهي بازار كند.
به ترانزيستورهاي جديد القاب مختلفي از قبيل دروازهي همهطرفه و كانال چندوجهي و نانوبام داده شده است؛ اما در مراكز تحقيقاتي، به آنها صفحات نانو ميگويند. نحوهي نامگذاري اين ترانزيستورها نكتهي چندان مهمي نيست؛ بلكه موضوع مهم اين است كه طرح بهكاررفته در اين دست از ترانزيستورها، امكان دارد طراحي نهايي در ساختار تمامي ترانزيستورها بعد از اين برههي زماني باشد. قطعا تغييراتي جزئي در ساختار ترانريستورهاي نسل بعدي ايجاد خواهد شد؛ اما روش اصلي ساخت همان نانوصفحات خواهند بود.
شكل و مواد بهكاررفته در ساختار ترانزيستورها با گذر زمان تغيير كرده است؛ اما ترانزيستورهاي اثر ميداني نيمهرساناي اكسيد فلز (MOSFET) كه در ريزپردازندهها استفاده ميشوند، از زمان اختراع در سال ۱۹۵۹، همان ساختار پايه را دارند و همگي شامل پشتهي دروازه، ناحيهي كانال، الكترود منبع و الكترود تخليه هستند. در شكل اصلي ترانزيستور، منبع و تخليه و كانال از جنس سيليسيم ناخالص هستند و ساختار اين ناخالصيها اتمهاي عناصر ديگر را شامل ميشود تا منطقهاي با بار منفي سيّار زياد (نوع n) يا منطقهاي با بار مثبت سيّار زياد (نوع p) بهوجود آورد. البته، فناوري CMOS (تركيب بنيادي در ساخت مدارهاي مجتمع) كه در تراشههاي رايانههاي امروزي متخصصد دارد، نيازمند هر دو نوع پيوند n و p از ترانزيستور است.
پشتهي دروازه در MOSFET درست در بالاي ناحيهي كانال قرار دارد. در تراشههاي امروزي، پشتهي دروازه از فلزي براي الكترود دروازه ساخته ميشود كه روي لايهاي از مواد ديالكتريك، نوعي عايق قطبيدهشده، قرار گرفته است تا ميدان الكتريكي در ناحيهي كانال ترانزيستور ايجاد و از نشت بار جلوگيري شود. با اعمال ولتاژ زياد در مقايسه با ولتاژ منبع روي دروازه، لايهاي از حاملهاي بار سيّار در نزديكي رابط ميان ديالكتريك و سيليسيم ايجاد ميشود و با كاهش ولتاژ دروازه تا نزديكي عدد صفر، مسير رسانا تقريبا بسته و ترانزيستور خاموش ميشود.
ابتدا به ولتاژي قوي احتياج داريم تا جريان را ازطريق كانال از منبع به تخليه برساند. ازآنجاكه ساختار ترانزيستورها روزبهروز كوچكتر ميشود، آثار اين ولتاژ قوي درنهايت به بزرگترين تغييرشكل در تاريخ ترانزيستور منجر خواهد شد. دليل صحت اين گفته آن است كه ولتاژ اعمالشده ميتواند ناحيهاي رسانا بين الكترودها ايجاد كند و هرچه قسمت مربوطبه كانال با معرفي نسل جديد ترانزيستور كوتاهتر ميشود، تأثير تخليه ولتاژ بيشتر ميشود. همچنين، بار ميتواند از زير منطقهي نزديك به دروازه نشت كند؛ درنتيجه ترانزيستور هرگز خاموش نميشود و باعث اتلاف برق و توليد گرما ميشود.
در ترانزيستورها براي جلوگيري از نشت ناخواستهي بار، ناحيهي كانال بايد نازكتر شود تا مجالي براي نشت نباشد و دروازه، كانال را از اطراف احاطه كند. به همين دليل، در ترانزيستورهاي امروزي FinFET (ترانزيستور بالهي اثرميدان)، ناحيهي كانال بهسمت خود كج شده است تا بالهي باريك سيليكوني بين منبع و تخليه شكل بگيرد و مسيري وسيعتر براي جريان فراهم سازد. البته، دروازه و ديالكتريك روي آن باله را پوشاندهاند و آن را برخلاف ترانزيستورهاي قديميتر، از سه طرف احاطه كردهاند.
سير تكامل FET (ترانزيستور اثرميدان)
از زمان معرفي ترانزيستورها در سال ۱۹۵۹، ترانزيستور اثرميدان عمدتا در سطح صافي از سيليكون ساخته ميشد؛ اما براي كنترل بهتر نشت جريان، شكل بالهاي برجسته را بهخود گرفت و اكنون نيز در حال تبديلشدن به حجم انبوهي از ورقها هستند.
بدون شك ساخت ترانزيستورهاي FinFET موفقيت بزرگي بود. درحاليكه بيش از يك دهه از زمان معرفي FinFET سپري شده است، اولين ترانزيستوري كه در سال ۲۰۱۱ اينتل، سامسونگ، TSMC و ساير شركتها در قالب ليتوگرافي ۲۲ نانومتري از آن استفاده كردند، مبتنيبر اين فناوري بود. در آخرين دورهي عمر قانون مور، بار كاري سيليكونهاي پيشرفته به دوش FinFET بود؛ اما درنهايت، دوران طلايي اين ترانزيستورها نيز به پايان خواهد رسيد.
با وجود پردازندههاي سه نانومتري، ديگر FinFETها قادر به رفع نيازها نخواهند بود. فناوري FinFET دركنار مزايا، معايبي نيز دارد. بهعنوان مثال، اين ترانزيستورها در طراحي محدوديتهايي دارند كه در ترانزيستورهاي مسطح قديمي مطرح نبود. براي درك اين اشكال، ابتدا بايد بدانيم همواره ميان سرعت ترانزيستور، مصرف برق، پيچيدگي ساخت و هزينهي آن نوعي تعادل وجود دارد و اين تعادل ارتباط زيادي با عرض كانال دارد كه در مراكز طراحي دستگاه، به آن Weff گفته ميشود. اگر عرض كانال بيشتر باشد، ترانزيستور جريان بيشتري هدايت ميكند و سريعتر خاموش و روشن ميشود؛ اما بهطبع فرايند ساخت پيچيده و پرهزينهتري دارد.
در ترانزيستورهاي مسطح، اين تعادل بهسادگي با تنظيم هندسي كانال (شكل، اندازه و...) ايجاد ميشود؛ اما بالهاي كه در FinFETها وجود دارد، از انعطافپذيري زياد جلوگيري ميكند. اتصالات فلزي كه ترانزيستورها را در مدار بههم وصل ميكنند، در لايههايي بالاتر از خود ترانزيستورها قرار دارند. به همين دليل، بالههاي ترانزيستور نميتوانند ازانديشه متخصصين ارتفاع بدون برخورد به اتصالات فلزي در بالاي ترانزيستور خيلي بلند باشند (مانند عرض در نمونههاي مسطح). امروزه، طراحان تراشهها با ساخت ترانزيستورهاي خاصي كه چندين باله دارند، اين اشكال را حل كردهاند.
يكي ديگر از كاستيهاي FinFETها، اين است كه دروازهي آن بالهي سيليكوني مستطيليشكل را فقط از سه جهت احاطه ميكند و قسمت پاييني به بدنه سيليكوني متصل ميشود. اين اتصال موجب نشتي جريان هنگام خاموشبودن ترانزيستور ميشود. محققان معتقدند براي كنترل كامل جريان در ناحيهي كانال، دروازه بايد اين قسمت را بهطور كامل احاطه كند.
محققان با دريافتن اين نكته، در سال ۱۹۹۰ اولين وسيلهي سيليكوني را معرفي كردند كه در آن، دروازه بهطور كامل ناحيهي كانال را احاطه كرده بود. از آن زمان، گروهي از محققان روي دستگاههايي كار ميكنند كه بهاصطلاح به آنها «دروازهي همهطرفه» گفته ميشود. محققان پس از بهحداقلرساندن نشت جريان، منطقهي كانال را تا سال ۲۰۰۳ به نانوسيم باريكي تبديل كردند كه از منبع و تخليه عبور ميكرد و از همهي جهات دروازه آن را احاطه كرده بود.
نانوسيمهاي دروازهي همهطرفه بهدليل كمعرضبودن كانال، نميتوانند مبناي توسعهي ترانزيستورهاي نسل جديد باشند. سيم باريك مجال كمي براي فرار الكترونها ميسر ميسازد؛ بنابراين، ترانزيستور وقتي بايد خاموش باشد، خاموش ميشود؛ اما درصورت روشنبودن ترانزيستور، بهدليل نازكبودن سيم فضاي كمي براي عبور جريان الكتريسته فراهم و كاهش جريان و ايجاد كندي در روند خاموش و روشن كردن ترانزيستور را باعث ميشود.
با قراردادن نانوسيمها روي يكديگر، ميتوان Weff و جريان بيشتري توليد كرد. مهندسان سامسونگ در سال ۲۰۰۴ نسخهاي از اين پيكربندي را بهنام «كانال چندوجهي FET» رونمايي كردند؛ اما اين كانال چندوجهي نيز محدوديتهايي داشت. بهعنوان مثال، همانند باله در FinFET، ارتفاع پشته نبايد خيلي زياد شود تا به لايهي اتصال برخورد كند يا با افزودن هر نانوسيمي بيش از حد مجاز ظرفيت دستگاه سرعت تعويض حالت روشن و خاموش ترانزيستور كندتر ميشود. درنهايت، بهدليل پيچيدگي ساخت نانوسيمهاي باريك آنها اغلب در كنارههاي ترانزيستور زبر و زمخت ميشوند. اين زبري ميتواند از سرعت جريان بكاهد.
در سال ۲۰۰۶، يكي از مهندسان مؤسسهي تحقيقاتي CEA-Leti فرانسه ايدهي بهتري ارائه داد. وي بهجاي استفاده از انبوهي از نانوسيمها براي عبور از منبع و تخليه، از پشتهاي از ورقهاي نازك سيليسيومي استفاده كرد. طبق اين ايده در ترانزيستور كوچكتر با افزايش عرض كانال همراه با كنترل مداوم بيشتر، ميتوان وسيلهاي كممصرف با عملكرد بهتري توليد كرد. محققان IBM با هدايت يكي ديگر از مهندسان نشان دادند درواقع ترانزيستور ساختهشده از انبوهي از صفحات نانو، Weff بيشتري در مقايسه با ترانزيستورهاي مبتنيبر فناوري FinFET بهدست ميدهد كه همان مقدار تراشه را اشغال ميكنند. اين ايده در سال ۲۰۱۷ به كار برده شد.
امتياز ديگر طراحي نانوصفحات انعطافپذيري آنها است. اين ويژگي در روند توسعهي ترانزيستورها پس از عرضهي تراشههاي مذكور با استفاده از فناوري FinFET از دست رفته بود. در نانوصفحات ميتوان براي تقويت جريان، صفحات را گسترده كرد يا براي كاهش مصرف برق، آنها را باريك كرد. محققان IBM صفحات را در پشتههاي سهگانه با اندازههاي مختلف از ۸ تا ۵۰ نانومتر قرار دادهاند.
براي ساختن نانوصفحات لايهي قرباني (براي ساخت اجزاي پيچيده مانند قطعات متحرك)، مواد شيميايي با واكنشپذيري فراوان و فناوري دقيق و پيشرفتهي رسوب اتمي موردنياز است. اغلب در فرايند ساخت نيمههاديها كه سيليكون ذوب و به بلور آن تبديل ميشود، تراشه بايد صيقل داده و صاف شود و قطعات قسمتهاي مختلف نيمههادي روي سطح تراشه بههم وصل شوند؛ به همين دليل، ساخت نيمههاديها فرايندي زمانبر است. وظيفهي نانوصفحات پاكسازي مواد ميان لايهها و پركردن اين فاصلهها با ديالكتريك و مواد ديگر است.
نكتهي اصلي در ساخت ترانزيستورها، نحوهي درستكردن ابرشبكه (Superlattice) (ساختار تناوبي از لايههاي دو يا چند ماده) است كه در ساخت ترانزيستورهاي نانوصفحه از ابرشبكههايي با لايههاي سيليكون و ژرمانيم سيليكون استفاده ميشود. پژوهشگران ابرشبكههايي با ۱۹ لايه ساختهاند؛ ولي دو عامل شدت نيروهاي دروني لايهها و افزايش ظرفيت ابرشبكه، استفاده از تعداد بيشتر لايهها را غيرمعقول جلوه ميدهد.
بعد از اينكه ابرشبكهاي با تعداد لايههاي مناسب ساختيم، با استفاده از نوعي مادهي شيميايي، لايههاي ژرمانيم سيليكون را حذف ميكنيم؛ ولي لايههاي سيليكون همچنان باقي ميمانند و نانوصفحات سيليكون نيز مانند پلي ميان منبع و تخليه قرار ميگيرند. استفاده از اين لايهها ايدهي جديدي نيست و ۲۰ سال پيش، مهندسان در شركت مخابراتي فرنستلهكام و STMicroelectronic براي ساختن ترانزيستورهاي آزمايشي «سيليكون روي هيچچيز» از اين لايهها استفاده كردند. اين ترانزيستورها با نگهداشتن لايهاي از هوا زير محدودهي كانال ترانزيستور، سعي كردند معايب كانال كوتاه (عملكرد نامناسب و افزايش حرارت) را كاهش دهند.
نكتهي حيرتانگيز در ساخت ترانزيستورهاي نانوصفحه كه از انقراض قانون مور نيز جلوگيري كرده، استفاده از آلياژ سيليسيم در كانال ترانزيستور است.
پس از آنكه نانوصفحهي سيليكوني بهعنوان پلي ميان منبع و تخليه قرار گرفت، بايد شكافهاي اطراف كانال را پر كنيم. براي اين كار از فرايند رسوب لايهي اتمي استفاده ميكنيم. اين فرايند بيش از يك دههي قبل براي ساخت تراشههاي نيمهرسانا معرفي شد و مطابق با آن، شكافها را ابتدا با ديالكتريك و سپس با مواد بهكاررفته در پشتهي دروازه پر ميكنيم.
در اين فرايند كه «رسوب لايهي اتمي» نام دارد، نوعي مادهي گازي شيميايي جذب سطح فوقاني تراشه ميشود. حتي اگر تراشه زير نانوصفحه باشد، بازهم اين ماده جذب ميشود و لايهاي روي تراشه تشكيل ميدهد، سپس، مادهي دوم براي واكنش نشاندادن با مادهي اول افزوده ميشود و لايهاي بسيار نازك از مواد موردنياز مانند ديالكتريك دياكسيدهافنيوم تشكيل ميدهد. اين فرايند بهاندازهاي دقيق است كه ميتواند ضخامت لايهي رسوبشدهي نهايي را تا حد لايهاي اتمي كنترل كند.
نكتهي حيرتانگيز در ساخت ترانزيستورهاي نانوصفحه كه از انقراض قانون مور نيز جلوگيري كرده، استفاده از آلياژ سيليسيم در كانال ترانزيستور است. تا حد زيادي آنچه در اين بين اشكالاتي ايجاد ميكند، گرما است. اگرچه با ساخت هر تراشه با ليتوگرافي كمتر مساحت كاهش مييابد، مقدار گرمايي كه مدار مجتمع ميتواند از بين ببرد (تراكم قدرت)، بيش از يك دهه است كه در حدود ۱۰۰ وات بر سانتيمترمربع ثابت مانده است.
تراشهسازان براي ثابت نگهداشتن تراكم قدرت تراشهها تلاش بسياري كردهاند. براي پايين نگهداشتن سطح دما، فركانس پردازشي نبايد از ميزان چهار گيگاهرتز تجاوز كند؛ به همين دليل، صنعت توليد تراشههاي پردازشي به طراحيهاي چندهستهاي روي آورد. با استفاده از اين طرح، چندين هستهي پردازشي با فركانس پردازشي پايين عملكرد همان هستهي پرسرعت را ايفا ميكرد و حتي گرماي كمتري نيز توليد ميشد. براي افزايش دوباره و بيشتر فركانس پردازشي تا جايي كه استفاده از سيليسيم به ما اجازه ميدهد، ما به ترانزيستورهايي با بازده انرژي بيشتر نيازمنديم.
يكي از راهحلهاي بالقوه براي ساخت ترانزيستوري با بازدهي انرژي بيشتر و توليد گرماي كمتر، استفاده از موادي مثل ژرمانيم يا نيمهرساناهاي تشكيلشده از عناصر ستون سه و چهار جدول تناوبي مانند گاليمآرسنيد در ناحيهي كانال است. بدينترتيب، الكترونها ۱۰ برابر سريعتر از حالتهاي قبلي حركت ميكنند و سرعت خاموش و روشن شدن ترانزيستور نيز بيشتر ميشود. بااينحال، مزيت اصلي تسريع حركت الكترونها كاهش ولتاژ مصرفي دستگاه است كه باعث بهينهشدن مصرف انرژي در ترانزيستور ميشود.
در سال ۲۰۱۲، مهندسي با نام Ye با ساخت ترانزيستوري سه نانوصفحهاي با استفاده از اينديوم گاليومآرسنيد، نيمهرساناي ستون سه و چهار جدول تناوبي و نيز الهام از پژوهشهاي انجامشده روي ترانزيستورهاي نانوسيم و ساختار ابرشبكه، به نتايج بسيار خوبي دست يافت. در اين نوع ترانزيستور بهازاي هر ميكرومتر از عرض كانال، جرياني معادل ۹,۰۰۰ ميكروآمپر عبور ميكرد كه اين مقدار سهبرابر جريان عبوري در ترانزيستورهاي مسطح اينديوم گاليومآرسنيد امروزي نوع MOSFET است.
با اينكه بازدهي انرژي ترانزيستور سه نانوصفحهاي هنورهم بهميزان مدانديشه متخصصين نرسيده است، اين ترانزيستورها براي آيندهي مدارهاي مجتمع پرسرعت با بازدهي انرژي بيشتر بسيار مهم هستند؛ چون اگر در آينده فرايند توليد ريزپردازندهها پيشرفت كند، ممكن است با قراردادن نانوصفحههاي بيشتر بتوانيم ميزان عملكرد را تا ۱۰ برابر افزايشدهيم. محققان آزمايشگاههاي HRL در ماليبوي كاليفرنيا روي ترانزيستورهايي كار ميكنند تا با قراردادن دهها نانوصفحه رويهم، دستگاه قدرتي نيتريدگاليم را بسازند.
البته، اينديوم گاليومآرسنيد تنها راه پيشرفت ترانزيستورها نيست؛ چراكه محققان نيمهرساناهاي ديگري مثل ژرمانيم و آرسنيد اينديوم و آنتيمونيدگاليوم را كشف كردهاند كه از حاملهاي بار با تحرك بسيار زياد بهره ميبرند و ميتوانند عامل پيشرفت ترانزيستورها باشند. بهعنوان مثال، محققان دانشگاه ملي سنگاپور بهتازگي با كنارهم قراردادن ترانزيستور نوع n ساختهشده از آرسنيداينديوم و ترانزيستور نوع p ساختهشده از آنتيمونيدگاليوم، مدار مجتمع كامل CMOS (نيمهرساناي اكسيدفلز مكمل) ساختهاند.
باوجوداين، راهحل سادهتر براي استفاده از نيمهرساناهاي داراي حاملهاي بار، اين است كه از ژرمانيوم ناخالص استفاده كنيم؛ چراكه بهدليل اين ناخالصي، سرعت الكترونها و حفرههايي كه حامل بار مثبت هستند، بسيار زياد است. ناگفته نماند ازآنجاكه ژرمانيوم براي چنين صنعت حساس و دقيقي نامطمئن است و اشكالاتي درزمينهي فرايند توليد دارد، ممكن است در عمل، برخي مراحل را با ژرمانيم سيليكون بهعنوان مادهي كانال انجام دهند.
درمجموع، بهانديشه متخصصين ميرسد قراردادن نانوصفحات روي هم بهترين راه ممكن براي ساخت ترانزيستورهاي آتي است. درحالحاضر، شركتهاي تراشهساز ميتوانند روش مدانديشه متخصصين را بهزودي در دستوركار قرار دهند. همانطوركه همه پيشبيني ميكنند، ترانزيستورهايي كه با ادغام مواد نيمهرسانا با تحرك زياد ساخته خواهند شد، آيندهي ترانزيستورها را رقم خواهند زد.
هم انديشي ها