توکیو، ژاپن – در یک پیشرفت فناورانه عظیم، دانشمندان ژاپنی موفق به ساخت ترانزیستورهای جدیدی شده‌اند که از سیلیکون استفاده نمی‌کنند. این نوآوری، که توسط محققان موسسه علوم صنعتی (IIS) در دانشگاه توکیو به دست آمده است، می‌تواند محدودیت‌های فعلی در miniaturization قطعات الکترونیکی را از میان بردارد و راه را برای نسل جدیدی از دستگاه‌های پیشرفته هموار کند.
فراتر از سیلیکون: گالیوم و ایندیم اکسید، ستارگان جدید
ترانزیستورها، اجزای جدایی‌ناپذیر تمامی دستگاه‌های الکترونیکی مدرن، از گوشی‌های هوشمند گرفته تا خودروها و ابررایانه‌ها، در حال حاضر عمدتاً بر پایه سیلیکون ساخته می‌شوند. با این حال، با پیشرفت فناوری و نیاز روزافزون به دستگاه‌های کوچکتر و کارآمدتر، محدودیت‌های سیلیکون در حال آشکار شدن است. استخراج عملکرد بیشتر از ترانزیستورهای سیلیکونی در ابعاد بسیار کوچک، به چالش بزرگی تبدیل شده است.
محققان ژاپنی برای غلبه بر این چالش، به جای سیلیکون، از گالیوم و ایندیم اکسید استفاده کرده‌اند. آن‌ها با تبدیل گالیوم به ایندیم اکسید و سپس متبلور کردن آن، ماده‌ای جدید ایجاد کرده‌اند که از حرکت کارآمد الکترون‌ها پشتیبانی می‌کند. این رویکرد، دریچه‌ای نو به سوی مواد نیمه‌رسانا باز می‌کند.
طراحی گیت فراگیر: کلید کارایی و مقیاس‌پذیری
علاوه بر تغییر ماده پایه، محققان در طراحی ترانزیستور جدید خود نیز نوآوری کرده‌اند. آن‌ها به دنبال طراحی دروازه‌ای (گیت) بودند که به طور کامل کانال جریان الکترون‌ها را احاطه کند. آنلان چن (Anlan Chen)، پژوهشگر موسسه IIS که در این پروژه مشارکت داشته، توضیح می‌دهد: “با پیچاندن گیت به طور کامل در اطراف کانال، می‌توانیم کارایی و مقیاس‌پذیری را در مقایسه با گیت‌های سنتی به طور قابل توجهی افزایش دهیم.” این طراحی گیت فراگیر، یکی از نقاط قوت اصلی این ترانزیستور جدید است.
برای بهبود عملکرد ایندیم اکسید با الکتریسیته، تیم تحقیقاتی آن را با گالیوم ترکیب کرد. ایندیم اکسید به دلیل نقص‌هایی مانند جای خالی اکسیژن، ممکن است دچار ناپایداری شود. ترکیب با گالیوم این خلأها را برطرف کرده و قابلیت اطمینان ترانزیستورها را بهبود می‌بخشد، البته این کار باید با دقت بالایی انجام شود.
فرایند ساخت و نتایج شگفت‌انگیز
تیم ژاپنی برای ساخت این ترانزیستور جدید، از روش رسوب لایه اتمی استفاده کرد. آن‌ها یک لایه نازک از ایندیم اکسید ترکیب شده با گالیوم (InGaOx) را بر روی ناحیه کانال پوشاندند. پس از تکمیل رسوب‌گذاری، نوار مورد نظر گرم شد تا یک ساختار کریستالی شکل بگیرد که از تحرک بالای الکترون پشتیبانی می‌کند.
نتیجه این تلاش، توسعه موفقیت‌آمیز یک ترانزیستور اثر میدانی مبتنی بر اکسید فلزی (MOSFET) با طراحی گیت فراگیر است. چن در بیانیه‌ای مطبوعاتی اعلام کرد: “MOSFET فراگیر ما که حاوی یک لایه InGaOx است، تحرک بسیار بالایی به اندازه ۴۴.۵ سانتی‌متر مربع در ثانیه دارد.”
مهم‌تر از آن، این دستگاه عملکرد پایداری تحت تنش اعمال شده به مدت نزدیک به سه ساعت از خود نشان می‌دهد که حاکی از قابلیت اطمینان امیدوارکننده آن است. محققان همچنین گزارش داده‌اند که این MOSFET جدید عملکرد بهتری نسبت به سایر دستگاه‌هایی دارد که قبلاً توسعه یافته بودند.
آینده‌ای روشن برای الکترونیک پیشرفته
این پیشرفت، راه را برای توسعه قطعات الکترونیکی قابل اعتماد و با چگالی بالا هموار می‌کند. این ترانزیستورهای جدید احتمالاً در زمینه‌های آینده‌نگرانه مانند هوش مصنوعی (AI)، پردازش کلان‌داده‌ها (Big Data) و سایر کاربردهای محاسباتی پیشرفته کاربرد خواهند داشت.
محققان با کوچکتر کردن بیشتر اندازه ترانزیستورها، نشان دادند که فناوری نسل بعدی، با کوچکتر شدن بیشتر اندازه دستگاه‌ها همراه خواهد بود. این تحقیقات نه تنها به ما کمک می‌کند تا محدودیت‌های سیلیکون را پشت سر بگذاریم، بلکه نشان می‌دهد که تحقیق در مورد طراحی مواد می‌تواند راه حل‌هایی فراتر از آنچه تاکنون ممکن بوده، ارائه دهد. این دستاورد یک گام بزرگ به سوی آینده‌ای است که در آن دستگاه‌های الکترونیکی قدرتمندتر، کوچکتر و کارآمدتر خواهند بود.
