Molibden Disülfür Transistörler:
Mikroelektronik

Stanford araştırmacılarından oluşan bir ekip, standart endüstriyel tipte üretim teknikleri kullanarak molibden disülfitten transistörler yarattı. Peki mühendisler neden gelecekte silikon aygıtların geliştirilmesi konusunda endişe duyuyor? Cevaplar yazımızın devamında..

A- A+

24.02.2017 tarihli yazı 13552 kez okunmuştur.

Transistör Mikroelektronik Elektronik

Küçük Bir Sorun, Büyük Bir Etki

Birçok kez söylendi ve yine söylenecek; silikon limitlerine ulaşıyor!

Mühendisler transistörlerin boyutunu azaltabilen yarıiletken endüstrisi sayesinde her 18 ayda bir daha güçlü ürünler tasarlayabiliyorlardı. Bir transistör boyutu küçültülürse, daha fazla transistörün tek bir yongaya sığması sağlanır ve bu da daha kompleks devrelerin yapılmasına olanak tanır.

Bir klasik örnek, transistör sayıları ikiye katlandığında CPU'lar üzerindeki etkidir. İlk CPU olan Intel 4004, 2300 transistöre sahipken yalnızca bir sonraki işlemci olan 8008'in 3500 transistöre ve neredeyse iki kat kapasiteye (8 bit, 4 bit, daha hızlı saat ve daha büyük bellek modeli) sahip olduğumu görüyoruz. Transistör sayısını artırmanın IC'leri daha iyi hale getirdiği açıktır.

Peki mühendisler neden gelecekte silikon aygıtların geliştirilmesi konusunda endişe duyuyor?

►İlginizi Çekebilir: Dünya'nın En Küçük Transistörü

En yeni transistörlerin boyutu (2017 itibariyle) 10 nm olup, transistör özelliklerini onlarca atom boyutunda kılıyor. Bu gibi küçük boyutlu aygıtları üretmek zordur. Çünkü bu özellik boyutları bir maliyetle gelen daha gelişmiş donanımlara dayanıyor. Fakat küçük transistörlerle ilgili sorun orada bitmiyor. Transistör kapakları çok küçük olduğunda (atomlar genelinde), normalde önemsiz olan (elektron tünellemesi gibi) kuantum etkileri belirginleşir ve zararlı etkilere neden olabilir.

Örneğin elektron tünelini alın: Eğer geçit çok ince olur ve elektronlar geçebilirse, kapıda depolanan yük kaybolabilir, bu da kullanıcının bu kayıp şarjını değiştirmesini gerektirir. Sonuç, daha fazla ısı tüketen daha fazla akım tüketen bir transistördür. Bireysel transistörlerde (çok sızdırılmış olsalar bile) ölçülemez miktarlarda akım kaybı ve sıcaklık artışı vardır, ancak birkaç milyar cihaz tek bir silikon parçasına konduğunda etki toplanır ve ciddi bir problem haline gelir. Fakat akım sadece kapıda sızdırmaz; akım, bir transistörün akımı kontrol edebilme kabiliyetini engelleyebilecek yakınlıkdaysa, akım kaynaktan boşaltma alanına tünel açabilir.

Molibden Disülfit Kullanımı

Peki cihazlar nasıl küçülür?

Birçok mühendis ve araştırmacı tarafından, elmas, grafen ve hatta organik bileşikler de dahil olmak üzere birçok fikir geliştiriliyor. Son zamanlarda, Stanford'dan bir ekip molibden disülfid kullanarak 1nm'lik bir transistor oluşturdu ancak üretmek zordur. Bu çalışma Aralık 2016'da gerçekçi imalat teknikleri kullanarak çalışan kompleks devreleri yaratan IEEE Uluslararası Elektron Cihazları Buluşması toplantısında araştırmacılar tarafından ilerletildi.

Bununla birlikte, bir grup (aynı zamanda Stanford'dan), 10nm aygıtların molibden disülfid kullanarak nasıl kolayca üretilebileceğini gösterdi. Ancak Stanford tarafından üretilen cihazları etkileyici yapan şey, ürünlerin ve sergilenen özelliklerin, onları silikon tabanlı cihazlardan daha hızlı hale getirebileceğidir. Stanford araştırmacılarına göre, molibden disülfid transistörleri 10nm ölçeğinde, boşaltma ve kaynak arasında hareket eden elektronlar, malzemeden geçerken elektronların dağılmasını durdurduğu balistik iletimi başlatmaya başladı. Bu saçılmalar, materyallerin dirençliliğine neden olur; materyalin özünde 0 direnci olmaksızın bu materyalde direnç oluşmasına neden olur.

►İlginizi Çekebilir: Karbon Nanotüp Yapılı Transistörler

Bu nedenle molibden disülfid transistöründeki elektronlar yarı iletken malzemeden etkilenmeden geçebilir ve dolayısıyla silikon muadillerine kıyasla çok daha hızlı çalışabilirlerdi. Stanford'dan Eric Pop, beş elektrondan birinin 10 nm'lik cihazlarda balistik iletime girdiğini tahmin etmektedir. Bununla birlikte, Eric Pop, yarı iletken malzemenin kalitesi iyileştirilirse ve transistör boyutunda küçülürse, bu balistik iletme sayısının artacağına inanıyor. Bu, silikon bir cihaz kadar ısınmadan daha fazla akım iletebilen daha yüksek hızdaki cihazlarla sonuçlanacaktır.

Ancak cihazlar sadece küçük ve hızlı değildir. Silikon aygıtlara benzer teknikler kullanılarak kolaylıkla üretilebilirler. Silikon çipleri, katmanlı teknikler kullanılarak büyük ölçeklerde üretilebilme yeteneğinden ötürü o kadar başarılıdır ki, her tabaka bir silikon devre levhasına eklenir veya çıkartılır (ve her devre levhası yüzlerce cihaz üretebilir).

Stanford araştırmacıları, bir silikon devre levhası ve üstte büyüyen molibden disülfür alarak 10nm'lik cihazlar üretmeyi başardılar. Ardından, 20 nm alüminyum biriktirilerek ve daha sonra oksit (10 nm'ye kadar küçülür) sağlayarak, yarı iletken üzerine bir kapının yetiştirilmesi sağlandı. Sonuç olarak silikon hızla sınırlarına ulaşıyor, ancak müşteri talepleri sürekli artıyor. Yeni bir materyalin girmesi ve ihtiyaç duyduğu işleme gücü sunması çok uzun sürmeyecek. Molibden disülfür cihazları, nanometre ölçekli cihazlar alanında çok fazla vaat gösteriyor ancak geleceğin yarıiletken haline gelip gelmediği belirsizliğini koruyor

Kaynak:

►allaboutcircuits.com