محققان KAIST با شبیه‌سازی‌های کوانتومی نشان دادند ترانزیستورهای آینده می‌توانند از مرز ۴ نانومتر عبور کنند و کوچک‌تر شوند.
به گزارش سرویس سخت افزار تکناک، صنعت نیمه‌هادی در سال‌های اخیر با سرعت زیادی به سمت فناوری‌های ۳ و ۲ نانومتری حرکت کرده است. با وجود این، کوچک‌تر شدن ترانزیستورها به موانع فیزیکی جدی برخورد کرده است. یکی از مهم‌ترین چالش‌ها پدیده تونل‌زنی کوانتومی است. در این پدیده، الکترون‌ها می‌توانند از موانعی عبور کنند که در شرایط عادی باید مانع حرکت آنها شوند. این نشت الکترونی، کنترل جریان را دشوار می‌کند و عملکرد ترانزیستورها را تحت تأثیر قرار می‌دهد.
پژوهشگران سال‌ها تلاش کرده‌اند که مشخص کنند ترانزیستورها تا چه اندازه قابلیت کوچک‌تر شدن دارند، اما بررسی دقیق این موضوع بسیار دشوار است. دلیل این مسئله آن است که مهم‌ترین اتفاقات در محل اتصال فلزات و مواد نیمه‌هادی و در مقیاسی در حد چند اتم رخ می‌دهد؛ جایی که مشاهده و اندازه‌گیری مستقیم رفتار الکترون‌ها تقریباً امکان‌پذیر نیست. به همین دلیل محققان KAIST به جای آزمایش‌های فیزیکی، از شبیه‌سازی‌های پیشرفته مبتنی بر قوانین بنیادی فیزیک استفاده کردند تا رفتار مواد را در مقیاس اتمی بررسی کنند.
این گروه پژوهشی برای انجام این کار از چارچوبی موسوم به MS-DFT بهره گرفت؛ فناوری محاسباتی که پیش‌تر توسط همین محققان توسعه یافته بود. آنها با استفاده از این روش، آزمایش‌های مجازی متعددی را شبیه‌سازی کردند تا نحوه عملکرد محل اتصال الکترودهای فلزی و کانال‌های نیمه‌هادی را ارزیابی کنند. این آزمایش‌ها مشابه روش‌هایی هستند که امروزه برای سنجش مقاومت الکتریکی در ترانزیستورهای واقعی به کار می‌روند.
نتایج شبیه‌سازی‌ها به پژوهشگران اجازه داد حرکت الکترون‌ها را در مرز میان فلز و نیمه‌هادی با دقت بی‌سابقه‌ای بررسی کنند. آها در نهایت موفق شدند «طول بحرانی تونل‌زنی» را تعیین کنند؛ معیاری که نشان می‌دهد از چه ابعادی به بعد، الکترون‌ها شروع به نشت می‌کنند و کنترل جریان الکتریکی در ترانزیستور با مشکل مواجه می‌شود. این یافته می‌تواند به مهندسان کمک کند مرزهای واقعی کوچک‌سازی ترانزیستورهای نسل آینده را با دقت بیشتری مشخص کنند.
پژوهشگران در این مطالعه از دی‌سولفید مولیبدن یا MoS2 استفاده کردند. این ماده یک نیمه‌هادی دوبعدی است که تنها ضخامت چند لایه اتمی دارد و بسیاری از متخصصان آن را یکی از گزینه‌های اصلی برای ساخت ترانزیستورهای نسل آینده می‌دانند.
نتایج پژوهش نشان داد میزان نفوذ الکترون‌ها به داخل کانال نیمه‌هادی به عوامل مختلفی از جمله نوع فلز مورد استفاده در الکترودها و ساختار اتمی محل اتصال بستگی دارد. به همین دلیل، حداقل اندازه قابل دستیابی برای ترانزیستورها یک مقدار ثابت نیست و انتخاب مواد مناسب می‌تواند محدودیت‌های فعلی را تغییر دهد.
همچنین محققان دریافتند تابع کار فلز و هندسه ساختار تماس، نقش مهمی در تعیین طول بحرانی تونل‌زنی دارند. این یافته به مهندسان اجازه می‌دهد با انتخاب ترکیب‌های مختلف از مواد و طراحی‌های جدید، کوچک‌سازی ترانزیستورها را به سطوحی فراتر از فناوری‌های امروزی برسانند.
یکی از مهم‌ترین نتایج این پژوهش آن است که برخی ترکیب‌های بررسی‌شده توانسته‌اند نشت الکترونی را در ابعادی کمتر از ۴ نانومتر کنترل کنند. این موضوع نشان می‌دهد نسل آینده تراشه‌های هوش مصنوعی، مراکز داده و سامانه‌های پردازش با کارایی بالا می‌توانند از ترانزیستورهایی کوچک‌تر از ۴ نانومتر بهره ببرند. پژوهشگران معتقد هستند که این روش شبیه‌سازی می‌تواند پیش از آغاز فرایند ساخت، عملکرد ترانزیستورها را پیش‌بینی کند و زمان و هزینه توسعه تراشه‌های آینده را به شکل قابل توجهی کاهش دهد.
