گروهی از پژوهشگران دانشگاه پکن چین یک ترانزیستور دوبعدی جدید توسعه داده‌اند که نسبت به پیشرفته‌ترین تراشه‌های ۳ نانومتری اینتل و TSMC، حدود ۴۰ درصد سریع‌تر عمل می‌کند و ۱۰ درصد مصرف انرژی کمتری دارد.
به گزارش تکناک، این موفقیت می‌تواند چین را از چالش‌های مرتبط با تولید تراشه‌های مبتنی بر سیلیکون رهایی بخشد و مسیر تازه‌ای را در صنعت نیمه‌هادی پیش روی این کشور قرار دهد.
در بیانیه‌ای که هفته گذشته در وب‌سایت دانشگاه پکن منتشر شد، این فناوری به عنوان «سریع‌ترین و کارآمدترین ترانزیستور تاکنون» توصیف شده است.
فهرست مطالب
تحولی اساسی در فناوری نیمه‌هادی
این پژوهش، به سرپرستی پنگ هایلین، استاد شیمی فیزیک انجام شده است. تیم تحقیقاتی او معتقد است که این رویکرد، تغییری بنیادی در فناوری نیمه‌هادی به شمار می‌رود.
پنگ هایلین در این زمینه گفت:
«اگر نوآوری‌های تراشه مبتنی بر مواد موجود را بتوان یک «میان‌بر» دانست، توسعه ترانزیستورهای مبتنی بر مواد دوبعدی را می‌توان معادل تغییر مسیر در فناوری نیمه‌هادی قلمداد کرد.»
عبور از محدودیت‌های تراشه‌های سیلیکونی
این ترانزیستور جدید که بر پایه بیسموت ساخته شده است، عملکردی بهتر از تراشه‌های پیشرفته اینتل، TSMC، سامسونگ و مرکز بین‌دانشگاهی میکروالکترونیک بلژیک دارد.
ترانزیستورهای مبتنی بر سیلیکون، در مقیاس‌های بسیار کوچک با محدودیت‌هایی در کوچک‌سازی و بهره‌وری انرژی مواجه هستند، اما طراحی جدید تیم دانشگاه پکن، این چالش‌ها را پشت سر گذاشته است.
پنگ هایلین تأکید کرد که تحریم‌های ایالات متحده علیه چین، دسترسی این کشور به پیشرفته‌ترین ترانزیستورهای مبتنی بر سیلیکون را محدود کرده، اما این محدودیت‌ها باعث شده است که پژوهشگران چینی به دنبال راه‌حل‌های جایگزین بروند.
او تصریح کرد:
«اگرچه این مسیر از سر ناچاری و به دلیل تحریم‌های موجود شکل گرفته، اما در عین حال، پژوهشگران را وادار کرده است تا از زاویه‌های جدیدتری به این مسئله نگاه کنند.»
جایگزینی فناوری قدیمی با ترانزیستورهای جدید
براساس این پژوهش، تیم دانشگاه پکن موفق به توسعه یک ترانزیستور اثر میدانی گِیت-سراسری (GAAFET) مبتنی بر بیسموت شده است. این طراحی، گامی بزرگ در مقایسه با ساختار ترانزیستور اثر میدانی فین (FinFET) به حساب می‌آید؛ فناوری که از سال ۲۰۱۱ توسط اینتل تجاری‌سازی شده و به استاندارد صنعت تبدیل شده است.
محدودیت‌های تراشه‌های سیلیکونی در حال حاضر مانعی برای دستیابی به چگالی ادغام بالاتر از ۳ نانومتر محسوب می‌شود. اما ساختار GAAFET، با حذف نیاز به «فین» در طراحی FinFET، سطح تماس بین گِیت و کانال را افزایش می‌دهد و عبور جریان الکترون‌ها را تسهیل می‌کند.
بر اساس گزارشی از South China Morning Post، پژوهشگران این تغییر را به جایگزینی ساختمان‌های بلند با پل‌های متصل تشبیه کرده‌اند، که عبور الکترون‌ها را ساده‌تر و سریع‌تر می‌کند.
مواد دوبعدی، کلید موفقیت نسل جدید تراشه‌های چین
پژوهشگران دانشگاه پکن برای دستیابی به عملکردی بهینه، از مواد نیمه‌هادی دوبعدی استفاده کرده‌اند. این مواد، در مقایسه با سیلیکون، ضخامت اتمی یکنواخت‌تر و تحرک‌پذیری الکترونی بیشتری دارند، که آنها را به گزینه‌ای مناسب برای تراشه‌های نسل آینده تبدیل می‌کند.
البته، تلاش‌های پیشین برای به‌کارگیری این مواد در ترانزیستورها به دلیل چالش‌های ساختاری، موفقیت چندانی به همراه نداشت. اما تیم دانشگاه پکن با توسعه مواد جدید مبتنی بر بیسموت، این موانع را برطرف کرده است.
مواد اختصاصی آنها شامل Bi₂O₂Se (به‌عنوان نیمه‌هادی) و Bi₂SeO₅ (به‌عنوان اکسید دی‌الکتریک با ثابت دی‌الکتریک بالا) هستند. ثابت دی‌الکتریک بالا در این مواد، باعث کاهش اتلاف انرژی، کاهش نیاز به ولتاژ و افزایش قدرت پردازشی در کنار کاهش مصرف انرژی می‌شود.
آزمایش‌های موفق و گام‌های بعدی
این پژوهشگران، ترانزیستورهای آزمایشی خود را با استفاده از پلتفرم پردازشی دقیق دانشگاه پکن تولید کرده‌اند.
نتایج به‌دست‌آمده، با محاسبات نظریه تابعی چگالی (DFT) مورد تأیید قرار گرفته است. این محاسبات نشان داده‌اند که رابط میان Bi₂O₂Se و Bi₂SeO₅، در مقایسه با نیمه‌هادی‌های سنتی، دارای نقص‌های کمتری است و جریان الکترون‌ها در آن با کمترین مقاومت ممکن عبور می‌کند.
پنگ هایلین در این خصوص توضیح داد:
«این طراحی، پراکندگی الکترون‌ها و اتلاف جریان را کاهش می‌دهد و به آنها امکان می‌دهد که تقریباً بدون مقاومت، مشابه حرکت آب درون یک لوله صاف، جریان پیدا کنند.»
چشم‌انداز تولید انبوه تراشه‌های بدون سیلیکون چین
بر اساس نتایج به‌دست‌آمده، ترانزیستورهای مبتنی بر این فناوری، ۱.۴ برابر سریع‌تر از پیشرفته‌ترین تراشه‌های سیلیکونی موجود عمل می‌کنند و تنها ۹۰ درصد از انرژی آنها را مصرف می‌نمایند.
در حال حاضر، تیم دانشگاه پکن در تلاش برای مقیاس‌پذیری این فناوری و افزایش تولید انبوه است. این گروه، واحدهای منطقی کوچکی را با استفاده از این ترانزیستورها ساخته و موفق به تقویت ولتاژ بالا در ولتاژهای عملیاتی فوق‌العاده پایین شده است.
این نوآوری، نه‌تنها چین را قادر می‌سازد تا محدودیت‌های سیلیکون را پشت سر بگذارد، بلکه می‌تواند زمینه‌ساز تغییرات اساسی در صنعت نیمه‌هادی جهانی شود.
