Atom kalınlığındaki transistörlerde 2031 hedefleri aşıldı

Tokyo Üniversitesi’nden Vincent Tung liderliğindeki ekip, modern çiplerin yarısını oluşturan p-tipi transistörlerin performans sorununa atom kalınlığındaki bor karbon nitrür (BCN) tabakalarıyla çözüm geliştirdi.

Nature dergisinde yayımlanan araştırma, daha az güç tüketen ve daha yüksek transistör yoğunluğuna sahip çipler üretme hedefi açısından önemli bir adım oluşturuyor. BCN tabanlı yöntem, atomik ölçekteki yarı iletkenlerin laboratuvardan ticari ölçekte üretime taşınması için umut verici bir malzeme altyapısı sunuyor.

P-TİPİ TRANSİSTÖR DARBOĞAZI 

Günümüz entegre devreleri, çiftler halinde çalışan n-tipi ve p-tipi transistörlere dayanıyor. Elektronlarla akım taşıyan n-tipi transistörler için atom kalınlığında yüksek iletkenlik sağlayan malzemeler daha önce geliştirilmişti. Ancak pozitif yük taşıyan 'boşluklar' üzerinden çalışan p-tipi transistörlerde benzer performansa sahip malzemelerin elde edilememesi, sektörün önündeki temel engellerden birini oluşturuyordu.

Önceki adayların düşük iletkenlik göstermesi, hava ve ısı karşısında hızla bozulması veya gofret (wafer) boyutunda üretime uygun olmaması gibi sorunlar, Tung ve ekibinin geliştirdiği BCN tabanlı epitaksi yöntemiyle aşıldı.

GOFRET ÖLÇEĞİNDE ÜRETİM 

Ekip, petek yapılı atomik bir yalıtkan olan bor nitrürdeki bazı azot atomlarının yerine karbon yerleştirerek iletkenlik sorununu çözdü. Karbon atomlarının kümelenmesini önlemek için buhar tabanlı iki farklı bileşen kullanıldı. Bir bileşen sürekli bor ve azot sağlarken diğeri karbonu yavaşça açığa çıkardı. 'Epitaksi' adı verilen bu yaklaşımla, desenli silikon çipler de dahil olmak üzere BCN’den gofret boyutunda pürüzsüz filmler üretildi.

Atomik incelemeler, karbon atomlarının azotun yerini eşit biçimde aldığını gösterdi. Böylece petek yapısı bozulmadan, malzeme içinde serbestçe hareket edebilen pozitif yük boşlukları oluştuğu doğrulandı.

2031 HEDEFLERİNİN ÜZERİNDE 

Araştırmacılar, günlük kullanım koşullarında 224 transistör üreterek test etti. Cihazların açık durumdaki akımının kapalı durumdaki akımdan 100 milyon kat fazla olduğu ölçüldü ve net bir anahtarlama performansı elde edildi.

Transistörlerin büyük bölümü, küresel çip endüstrisinin 2031 için belirlediği performans ve akım kararlılığı hedeflerini geride bıraktı. Malzeme, açık hava koşullarında da dayanıklılığını korudu. Bulgular, atomik ölçekteki n-tipi ve p-tipi transistörlerin üç boyutlu katmanlar halinde üst üste istiflenebileceği yeni nesil çip mimarilerine zemin hazırlıyor.

TİCARİ ÜRETİME HAZIRLIK 

Teknolojinin ticari çip üretim hatlarına entegre edilmesi için aşılması gereken mühendislik adımları bulunuyor. BCN’yi çevresindeki bağlantı hatlarına bağlayan metal temas noktalarının optimize edilerek performansın artırılması hedefleniyor.

Transistörlerin boyutlarının daha da küçültülmesi de planlanıyor. Bir diğer çalışma alanı ise sentez için gereken 1.000 °C’lik üretim sıcaklığı. Ekip, alt katmanlardaki hassas çip bileşenlerine zarar vermemek için bu sıcaklığı düşürmeye yönelik Ar-Ge çalışmalarını sürdürüyor.