ساخت ترانزیستورهای ۵۰ نانومتری با مقاومت تماس بسیار پایین
پژوهشگران با ابداع روش تبخیر مرحلهای موفق به رشد فلزات تکبلوری روی نیمهرساناها شدند که مقاومت تماس ترانزیستورهای نانومقیاس را به میزان قابل توجهی کاهش میدهد.
به گزارش سیناپرس، پژوهشگران چینی با توسعه روشی اتمی برای رشد مستقیم لایههای فلزی تکبلوری روی نیمهرساناها موفق شدند مقاومت تماس ترانزیستورهای نانومقیاس را به میزان قابل توجهی کاهش دهند؛ دستاوردی که میتواند مسیر ساخت نسل جدیدی از ادوات الکترونیکی کوچکتر و کممصرفتر را هموار کند.
فلزات، نیمهرساناها و عایقها سه جزء اساسی در ساخت تجهیزات الکترونیکی مدرن به شمار میروند، اما بخش قابل توجهی از تلاشها برای افزایش عملکرد این تجهیزات تاکنون بر بهبود کیفیت نیمهرساناها متمرکز بوده و ساختار بلوری فلزات کمتر مورد توجه قرار گرفته است.
با کوچکتر شدن ابعاد ترانزیستورها بینظمی ساختاری در فلزات و همچنین در فصل مشترک میان فلز و نیمهرسانا به مانعی جدی برای تزریق و انتقال حاملهای بار تبدیل میشود. از این رو برای ادامه روند کوچکسازی و نزدیک شدن عملکرد ترانزیستورها به محدودیتهای فیزیکی فلزات نیز باید مانند نیمهرساناهای تکبلوری از نظم ساختاری بالایی برخوردار باشند.
رشد مستقیم فلز تکبلوری روی نیمهرسانا
یک تیم پژوهشی به سرپرستی چو جونهاو از موسسه فنی فیزیک شانگهای وابسته به آکادمی علوم چین برای حل این مشکل روشی در مقیاس اتمی با عنوان Step-Eva توسعه داده است.
این روش نوعی فرآیند تبخیر مرحلهای است که امکان رشد مستقیم و درجا (in situ) لایههای فلزی تکبلوری روی نیمهرساناها را فراهم میکند. پژوهشگران میگویند استفاده از این روش میتواند مقاومت تماسی را به شکل چشمگیری کاهش دهد و در نهایت شیوه طراحی و ساخت ترانزیستورها در مقیاس نانو را تغییر دهد.
نتایج این پژوهش در تاریخ ۲۷ اوت در مجله علمی Science منتشر شده است.
ایجاد پنجره رشد برای شکلگیری ساختار منظم
روش Step-Eva فرآیند رسوبدهی فلز را به چرخههای متوالی تقسیم میکند. در هر چرخه ابتدا مقدار بسیار کمی از ماده در مقیاس اتمی رسوب داده میشود و سپس یک مرحله مکث و پایدارسازی نسبتا طولانی انجام میگیرد.
این جداسازی زمانی میان رسوبدهی اتمها و آرامسازی ساختاری یک پنجره رشد سینتیکی مشخص ایجاد میکند. در این شرایط، تشکیل هستههای ثانویه و بینظم سرکوب شده در حالی که امکان نفوذ و جابهجایی اتمها روی سطح افزایش مییابد.
اتمها در ادامه فرصت پیدا میکنند تا در موقعیتهای مناسب قرار بگیرند و حوزههای بلوری مجاور نیز به صورت جانبی با یکدیگر ادغام شوند. در نتیجه پژوهشگران میتوانند رشد اپیتاکسیال واندروالس فلزات تکبلوری با نظم بلندبرد را تسهیل کنند.
به بیان سادهتر در روشهای معمول تبخیر، تشکیل پیوسته هستههای جدید با حرکت و انتشار اتمها روی سطح رقابت میکند و این مسئله میتواند به ایجاد ساختارهای نامنظم منجر شود. Step Eva با جدا کردن مرحله رسوبدهی از مرحله آرامسازی این رقابت را کنترل میکند و شرایط مناسبتری برای شکلگیری یک ساختار بلوری منظم فراهم میآورد.
کاهش آسیب در مرز فلز و نیمهرسانا
پژوهشگران نشان دادهاند که این روش را میتوان برای طیف متنوعی از فلزات به کار گرفت. آنها با استفاده از Step Eva موفق به رشد لایههای تکبلوری باکیفیت از فلزاتی مانند بیسموت (Bi)، نقره (Ag)، ایندیوم (In)، طلا (Au) و پالادیم (Pd) شدهاند.
این فلزات تکبلوری فصل مشترکهای تمیز و کمآسیب میان فلز و نیمهرسانا ایجاد میکنند. همچنین این ساختارها از تابع کار مشخص و یکنواخت فضایی برخوردارند و نوسانات موضعی پتانسیل در آنها بسیار اندک است.
اهمیت این موضوع در آن است که فصل مشترک فلز و نیمهرسانا یکی از بخشهای حساس ترانزیستور است و هرگونه بینظمی یا نقص در این ناحیه میتواند مانع عبور مؤثر حاملهای بار شود و مقاومت تماس را افزایش دهد.
عملکرد ترانزیستورها در ابعاد ۵۰ نانومتر
پژوهشگران برای ارزیابی عملکرد این فناوری از آن در ساخت ترانزیستورهای دوبعدی نوع n و نوع p استفاده کردند.
بر اساس نتایج این آزمایشها نسبت جریان روشن به خاموش در هر دو نوع ترانزیستور به بیش از ۱۰¹⁰ رسید. همچنین در ترانزیستورهایی که طول کانال آنها به ۵۰ نانومتر کاهش یافته بود، جریان حالت روشن به بیش از ۱.۱ میلیآمپر بر میکرومتر رسید.
از سوی دیگر مقاومت تماس در ترانزیستورهای نوع n به ۳۶ اهم-میکرومتر و در ترانزیستورهای نوع p به ۱۴۵ اهم میکرومتر کاهش یافت.
مقاومت تماس پایینتر به این معناست که حاملهای بار میتوانند با مانع کمتری از بخش فلزی به نیمهرسانا و برعکس منتقل شوند؛ بنابراین کاهش این مقاومت میتواند به بهبود تزریق حاملها، کاهش اتلاف انرژی و افزایش عملکرد ترانزیستور کمک کند.
امکان ادامه کوچکسازی و افزایش تراکم تراشهها
در بخش دیگری از آزمایشها مشخص شد که فلزات تکبلوری تولیدشده با روش Step-Eva قابلیت مقیاسپذیری مناسبی در ابعاد بسیار کوچک دارند. این مواد حتی در ضخامتهای بسیار کم نیز میتوانند پیوستگی الکتریکی خود را حفظ کنند.
همچنین این لایههای فلزی از پایداری حرارتی بالاتری برخوردارند، ویژگیای که برای تجهیزات الکترونیکی در مقیاس نانو اهمیت ویژهای دارد، زیرا کوچکتر شدن ادوات و افزایش تراکم آنها چالشهای حرارتی بیشتری ایجاد میکند.
به نقل از برنا، پژوهشگران بر این باورند که ترکیب ساختار تکبلوری، مقاومت تماس پایین، قابلیت مقیاسپذیری در ابعاد نانومتری، رسانایی پیوسته در ضخامتهای بسیار کم و پایداری حرارتی میتواند زمینه مناسبی برای ادامه کوچکسازی ترانزیستورها و ساخت تراشههایی با تراکم بالاتر فراهم کند.
این فناوری در نهایت میتواند به عنوان یک بستر مواد و ساخت برای توسعه نسل آینده تجهیزات الکترونیکی و اپتوالکترونیکی کممصرف و پربازده مورد استفاده قرار گیرد.
