لطالما تطلبت الخصائص المتقلصة للترانزستورات المحفورة بالسيليكون دفع طليعة تكنولوجيا التصنيع. ومع ذلك ، فإن اكتشاف المواد الرقيقة ذريًا مثل الجرافين والأنابيب النانوية الكربونية قد زاد من إمكانية استبدال احتياجات التصنيع بالخصائص الطبيعية لهذه المواد. ليست هناك حاجة لنقش ميزة نانومتر واحدة للسيليكون إذا كان بإمكانك فقط استخدام أنبوب نانوي كربوني 1 نانومتر.
وكان هناك القليل نجاحات بارزة، مثل بوابة 1 نانومتر مصنوعة من أنبوب نانوي واحد من الكربون. لكن العمل غالبًا ما ينطوي على عملية صعبة تتمثل في الحصول على المواد الرقيقة ذريًا في المكان المناسب لإنشاء جهاز وظيفي. وعادة ما تكون بقية الأجهزة مصنوعة من مواد ضخمة مستعارة من تصميم ترانزستور أكثر تقليدية.
لكن مقالًا جديدًا صدر هذا الأسبوع يصف تصميمًا قياسيًا بأصغر طول لبوابة ترانزستور تم الإبلاغ عنها حتى الآن. يتم تعيين الذروة بواسطة حافة ورقة الجرافين ، مما يعني أن البوابة عبارة عن ذرة كربون مفردة بعرضها. وباستخدام مادة ثانية رفيعة ذريًا لمكون رئيسي (بالإضافة إلى الترتيبات الذكية للأجزاء) ، تأكد الفريق الذي يقف وراء التصميم من أن الترانزستور بأكمله سهل التصنيع ومضغوط نسبيًا.
الذهاب إلى أتوميك
يشتمل تصميم الترانزستور القياسي على قطبين كهربائيين موصلين – المصدر والصرف – مفصولة بقطعة من أشباه الموصلات. يتم تحديد حالة أشباه الموصلات ، أي ما إذا كانت موصلة أم معزولة ، بواسطة قطب كهربائي موصل ثالث يسمى البوابة. في حين أن هناك عدة مقاييس لحجم الترانزستور ، فإن طول البوابة هو أحد أهمها.
من المحتمل أن يكون السيليكون هو أشهر أشباه الموصلات ، ولكن هناك أيضًا أشباه موصلات رفيعة ذريًا. وأبرز هذه المواد هو ثاني كبريتيد الموليبدينوم. على الرغم من أنه ليس رقيقًا مثل ذرة واحدة بسبب ترتيب روابطه الكيميائية ، إلا أن ثاني كبريتيد الموليبدينوم لا يزال مضغوطًا بشكل ملحوظ. نظرًا لخصائصه المفيدة ، ويتميز جيدًا ويسهل التعامل معه ، استخدم الباحثون ثاني كبريتيد الموليبدينوم كمواد أشباه الموصلات. كانت أقطاب المصدر والتصريف عبارة عن شرائط معدنية تلامس ثاني كبريتيد الموليبدينوم.
تركت البوابة. في الجهاز السابق ، 1 نانومتر ، كانت البوابة مصنوعة من أنبوب نانوي واحد من الكربون. أن تكون أصغر من ذلك أمر صعب ولكنه ليس مستحيلاً. صفائح الجرافين تشبه الأنابيب النانوية الكربونية المضغوطة: ورقة من ذرات الكربون مرتبطة ببعضها البعض. في حين أن طول الصفيحة وعرضها سيكونان أكبر بكثير من الأنبوب النانوي ، فإن السماكة ستكون فقط بسمك ذرة كربون واحدة. لذلك ، إذا كان بإمكانك استخدام حافة ورقة الجرافين كبوابة ، فيمكنك الحصول على طول بوابة صغير بشكل خاص.
ومع ذلك ، فقد تم بالفعل استخدام كل هذه المواد في عدد كبير من أدوات الاختبار. سر العمل الجديد هو كيفية ترتيبها. جزء من هذا الترتيب ضروري ببساطة لجعل حافة ورقة الجرافين في الاتجاه الصحيح لاستخدامها كبوابة. ولكن من المزايا المهمة للتصميم أنه سهل التحضير لأنه لا يتطلب تحديد موضع دقيق بشكل خاص لأي من المواد الرقيقة ذريًا.
الهندسة الذكية
لتصنيع الجهاز ، بدأ الباحثون بطبقات من السيليكون وثاني أكسيد السيليكون. كان السيليكون هيكليًا فقط – لا يوجد سيليكون في الترانزستور نفسه. تم وضع ورقة من الجرافين أعلى السيليكون وثاني أكسيد السيليكون لتشكيل مادة البوابة. بالإضافة إلى ذلك ، وضع الباحثون طبقة من الألومنيوم. في حين أن الألومنيوم هو موصل ، تركه الباحثون في الهواء لعدة أيام ، يتأكسد السطح خلالها إلى أكسيد الألومنيوم. بعد ذلك ، كان السطح السفلي لصفيحة الجرافين فوق ثاني أكسيد السيليكون ، وكان الجزء العلوي مغطى بأكسيد الألومنيوم ، وكلاهما معزول. إنه يعزل كل شيء باستثناء حافة الجرافين عن بقية أجهزة الترانزستور.
لفضح طرف الجرافين بطريقة مفيدة ، قام الباحثون ببساطة بالنقش على طول حافة الألومنيوم وصولاً إلى ثاني أكسيد السيليكون الأساسي. قطع ورقة الجرافين ، وكشف حافة خطية يمكن أن تكون بمثابة بوابة. في هذه المرحلة ، يتم تغطية الجهاز بأكمله بطبقة رقيقة من أكسيد الفينيوم ، وهو عازل يوفر مساحة صغيرة بين البوابة وبقية الأجهزة.
هيكل الجهاز. الأسود هو قاعدة ثاني أكسيد السيليكون ، والأزرق عبارة عن جرافين ، والأحمر عبارة عن طبقة من أكسيد الألومنيوم / الألومنيوم ، والأصفر عبارة عن ثاني أكسيد الموليبدينوم. لا تظهر طبقة أكسيد الفينيوم.
جون تيمر
بعد ذلك ، تم وضع طبقة موليبدنوم نصف ثاني كبريتيد فوق الهيكل بأكمله (الآن ثلاثي الأبعاد). ونتيجة لذلك ، كان طرف الجرافين (المُدمج الآن في جدار الجزء الرأسي من الجهاز) قريبًا جدًا من ثاني كبريتيد الموليبدينوم. يمكن أن يعمل طرف الجرافين الآن كبوابة للتحكم في موصلية أشباه الموصلات. وكان طول البوابة هو سمك لوح الجرافين – ذرة كربون واحدة ، أو 0.34 نانومتر.
من هناك ، قام الموظفون ببساطة بوضع أقطاب المصدر والتصريف على جانبي البوابة. الترتيب ثلاثي الأبعاد جعل الأمر سهلاً. يوضع المنبع في الأعلى ويوضع المصرف في الأسفل مع الجدار العمودي بينهما. (يطلق الباحثون على أجهزتهم اسم ترانزستور الجدار ، لأن البوابة تقع في منتصف هذا الجدار).
