Tayvan merkezli yarı iletken devi TSMC, ulusal üniversitelerle iş birliği yaparak transistör tasarımında devrim niteliğinde bir buluşa imza attı. Yeni nesil çip teknolojilerinin geliştirilmesi hedeflenirken, bu gelişme 1 nanometrenin altındaki teknolojilere giden yolda önemli bir kilometre taşı olarak görülüyor.
Araştırmacılar, transistör kanalına yeni malzemeler eklemek yerine, kanal malzemesinin kendisini mühendislikle yeniden şekillendirerek izolasyon ve kontrol mekanizmaları oluşturmanın daha etkili bir yaklaşım olduğunu gösterdi. Bu yeni yöntem, transistörlerin elektron akışını daha hassas bir şekilde kontrol etmesini sağlayacak.
TSMC ve Üniversite İş Birliği: Düşük Sızıntılı Gate Yapısı Başarısı
TSMC ve üniversite araştırmacıları, tek katmanlı molibden disülfür (MoS₂) kanal üzerine epitaksiyel alüminyum kaplama yaparak, düşük sızıntılı bir gate (kapı) uygulaması gerçekleştirdi. Bu strateji, günümüzdeki çiplerde kullanılan FinFET ve GaaFET gibi üç boyutlu transistörlerin sınırlamalarını aşmayı hedefliyor.
Mevcut transistörlerde, kanal yukarı doğru çıkıntı yapar ve gate bu kanalın etrafına sarılır. Bu yapı, gate ile kanal arasında daha geniş bir temas alanı yaratarak akım akışının daha iyi kontrol edilmesini sağlar. Kanal, akımın geçiş noktası iken, gate bu akışı yönetir.
Ancak çip üretim teknolojisindeki ilerlemeler, üreticilerin kanal kalınlığını 5 nanometreye düşürmesine ve kanalları kısaltarak bir çipe daha fazla transistör sığdırmasına olanak tanıyor. Bu durum, transistör gate'lerinin elektron akışını etkin bir şekilde kontrol etmesini zorlaştırıyor. Kanal uzunluğu 3 ila 5 nanometreye yaklaştığında gate'in kontrol gücü azalıyor. Benzer şekilde, kanal kalınlığı yaklaşık 3 nanometrenin altına düştüğünde, elektronlar gate ile temas ederek direnci artırıyor.
Bu kısıtlamaların üstesinden gelmek için, çip üreticileri iki boyutlu tek katmanlı transistörler üzerinde yoğunlaşıyor. Bu transistörler moleküler düzeyde tek katman kalınlığında olduğundan, daha iyi gate kontrolü ve daha düşük direnç sunuyor. Ayrıca, üreticilerin 0.7 nanometre kanal kalınlığı ve 3 nanometrenin altında kanal uzunluğu hedefleyerek transistör yoğunluğunu artırmalarına imkan tanıyor.
Ancak malzemenin inceliği kendi zorluklarını da beraberinde getiriyor. Bu transistörler üzerine yapılan araştırmalar, geleneksel kaplama teknikleriyle gate üretiminin, tek katmanlı molibden disülfür (MoS₂) transistör kanalının özelliklerinden dolayı kanalların üzerinde düzensiz bir gate yalıtım katmanı oluşturduğunu ortaya koydu. MoS₂, 0.7 nanometrelik doğal kalınlığı ve daha yüksek akım kontrolü yeteneği nedeniyle tercih ediliyor. FinFET transistörlerde ise genellikle silisyum-germenyum kanal malzemesi olarak kullanılıyor.
TSMC ve üniversite araştırmacılarının çalışmaları, gate malzemesinin kanala kaplanmasındaki sınırlamaları aşmaya odaklandı. Özellikle, sızıntıyı önleyen ve akım kontrolünü sağlayan gate yalıtım katmanı üzerine çalıştılar. Önceki tekniklerin aksine, yenilikçi kaplama yaklaşımları veya yeni malzemeler araştırmak yerine, ultra ince epitaksiyel alüminyum tabakasına güvendiler.
MoS₂ yüzeyini alüminyum tabakası ile kaplayıp oksitleyerek 0.42 nanometre kalınlığında bir alüminyum oksit tabakası oluşturdular. Bu tabaka oluştuktan sonra, yüksek dielektrik sabitli (high-κ) hafniyum oksit gate yalıtım malzemesi üzerine eklendi.
Yüzey mühendisliği sayesinde araştırmacılar, yeni yaklaşımın MoS₂ transistöründe, yalıtım katmanının 1 nanometre kalınlığındaymış gibi sıkı bir akış kontrolü ve azaltılmış direnç sağladığını gösterdi.
