دانشمندان دانشگاه علم و فناوری ملک عبدالله (KAUST) در عربستان سعودی موفق به ساخت نخستین ریزتراشه ترکیبی CMOS با شش لایه پشته‌ای شده‌اند.
به گزارش تکناک، این تراشه که برای تجهیزات الکترونیکی با سطح گسترده طراحی شده، می‌تواند سرآغاز نسل جدیدی از مدارهای هوشمند، گجت‌های پوشیدنی و تجهیزات پزشکی پیشرفته باشد.
تا پیش از این، تراشه‌های ترکیبی با ساختار عمودی تنها تا دو لایه محدود می‌شدند. با این حال، دستاورد تازه KAUST مرزهای ادغام عمودی را تا سه برابر افزایش داده و تراکم عملکردی بی‌سابقه‌ای را ممکن کرده است.
به گفته «ساروانان یوواراجا»، پژوهشگر ارشد و نویسنده اصلی این پروژه، هدف از طراحی جدید، افزایش توان در فضای کمتر بوده است. او می‌گوید: «در دنیای ریزتراشه‌ها، رقابت بر سر فشرده‌سازی قدرت در کوچک‌ترین فضاست. ما با بازنگری در مراحل ساخت، راهی برای افزایش چگالی عملکردی و توسعه عمودی فراتر از محدودیت‌های کنونی پیدا کرده‌ایم.»
در دهه‌های گذشته، قانون نانوشدن ترانزیستورها پایه اصلی پیشرفت صنعت نیمه‌رسانا بود. شرکت‌های تولیدکننده تراشه همواره با کوچک‌تر کردن ترانزیستورها تلاش کرده‌اند تا تراشه‌های سریع‌تر و کارآمدتری تولید کنند. اما این راهبرد به مرزهای فیزیکی خود رسیده است؛ زیرا با کوچک‌تر شدن ترانزیستورها، اثرات کوانتومی و هزینه‌های ساخت به‌شدت افزایش یافته و امکان ادامه این مسیر محدود شده است.
راه‌حل جدید، حرکت از «کوچک‌سازی افقی» به سمت «توسعه عمودی» است؛ یعنی ساخت تراشه‌ها به‌صورت لایه‌به‌لایه همچون آسمان‌خراش‌هایی از مدارهای الکترونیکی. با وجود این، پشته‌سازی عمودی با چالش‌های فنی جدی روبه‌رو است. از جمله، دمای بالای مورد نیاز در فرآیند ساخت ممکن است به لایه‌های زیرین آسیب بزند، و هم‌ترازی دقیق چندین لایه در مقیاس نانومتری کاری دشوار است.
تیم KAUST با نگاهی تازه به فرآیند ساخت تراشه‌ها توانست از این موانع عبور کند. آنها روشی طراحی کردند که هیچ مرحله‌ای از دمای ۱۵۰ درجه سلسیوس (۳۰۲ درجه فارنهایت) فراتر نمی‌رفت و بیشتر مراحل در دمای نزدیک به اتاق انجام می‌شد. این نوآوری مانع از آسیب‌دیدن لایه‌های پایینی شد و امکان افزودن لایه‌های جدید را بدون افت کیفیت فراهم کرد.
هر لایه از این تراشه شامل ترانزیستورهای بسیار کوچک است که سیگنال‌های الکتریکی را مدیریت می‌کنند. بخشی از این ترانزیستورها از مواد معدنی مانند اکسید ایندیوم (n-type indium oxide) ساخته شده‌اند و بخش دیگر از ترکیبات آلی تشکیل شده است. ترکیب این دو نوع ماده، ساختاری موسوم به معماری «ترکیبی CMOS» را شکل می‌دهد که در قلب بیشتر دستگاه‌های الکترونیکی امروزی قرار دارد.
پژوهشگران علاوه بر نوآوری در مواد سازنده، فرآیند اتصال و آماده‌سازی سطح هر لایه را نیز بازطراحی کردند تا سطحی کاملاً صاف و هم‌تراز ایجاد شود. این دقت بالا باعث شد جریان سیگنال‌های الکتریکی بدون تداخل یا اتلاف انرژی میان لایه‌ها عبور کند.
نتیجه این رویکرد، ساخت تراشه‌ای با شش لایه فعال بود که سه برابر بیشتر از هر تراشه ترکیبی CMOS ساخته‌شده تاکنون است. این تراشه در آزمایش‌ها عملکردی پایدار از خود نشان داد و مدارهای منطقی کم‌مصرف آن توانستند بدون ایجاد گرمای اضافی یا تداخل، عملیات پیچیده را به‌طور مؤثر انجام دهند.
به گفته محققان، موفقیت این تراشه نه‌تنها چگالی عملکرد را افزایش می‌دهد، بلکه مصرف انرژی را نیز به میزان قابل‌توجهی کاهش می‌دهد و این امر برای نسل بعدی وسایل هوشمند اهمیت حیاتی دارد.
این فناوری جدید می‌تواند مسیر توسعه بسیاری از صنایع را تغییر دهد. در بخش الکترونیک‌های پوشیدنی و منعطف، تراشه‌های پشته‌ای می‌توانند پایه‌گذار نسل تازه‌ای از حسگرهای زیستی و تجهیزات پزشکی شوند که هم نازک‌تر و هم کارآمدترند و حتی می‌توانند در پارچه‌ها یا پوست مصنوعی تعبیه شوند.
در حوزه اینترنت اشیا، که میلیون‌ها دستگاه کوچک باید با مصرف انرژی اندک کار کنند، این تراشه‌های چندلایه می‌توانند توان پردازش بالا را با حداقل مصرف برق فراهم کنند. همچنین، در صنایع فضایی و زیست‌محیطی، وزن کم و بازده بالا، آنها را برای استفاده در ماهواره‌ها و حسگرهای دوربرد ایده‌آل می‌سازد.
با وجود این، پژوهشگران تأکید می‌کنند که این پروژه هنوز در مرحله اثبات مفهوم قرار دارد. برای استفاده تجاری، تراشه‌ها باید پایداری حرارتی بالاتری پیدا کنند و فرایند تولید آنها برای مقیاس صنعتی بهینه شود.
تیم KAUST در گام بعدی قصد دارد مواد مورد استفاده را بهبود دهد، دوام طولانی‌مدت تراشه‌ها را افزایش دهد و در عین حال امکان افزودن لایه‌ها و قابلیت‌های بیشتر را بررسی کند.
