کریستال‌ نانومقیاس اتمی؛ قلب تپنده هوش مصنوعی‌های آینده

زهرا وجدانی: در سال‌های اخیر پیشرفت‌های فناوری در حوزه میکروالکترونیک با چالش‌هایی جدی مواجه شده است. ترانزیستور‌های مبتنی بر سیلیکون که پایه و اساس بسیاری از مدار‌های الکترونیکی و تراشه‌های پردازشی هستند، به محدودیت‌های فیزیکی در مقیاس کوچک شدن و افزایش کارایی نزدیک می‌شوند. این محدودیت‌ها به گونه‌ای است که آینده فناوری‌های مبتنی بر سیلیکون را در هاله‌ای از ابهام قرار داده است.

اما تیمی از محققان موسسه علوم صنعتی دانشگاه توکیو موفق به ساخت نوع جدیدی از ترانزیستور شده‌اند که به جای سیلیکون از ماده کریستالی «اکسید ایندیوم دوپ شده با گالیوم» (Gallium-doped Indium Oxide یا به اختصار InGaOx) استفاده می‌کند. این دستاورد نویدبخش افق‌های تازه‌ای برای توسعه تراشه‌های سریع‌تر، پایدارتر و کارآمدتر به ویژه در زمینه کاربرد‌های پردازش هوش مصنوعی و داده‌های حجیم است.

در این گزارش، ضمن بررسی علمی و دقیق این فناوری، به تحلیل مزایا، ساختار و عملکرد آن خواهیم پرداخت.

ترانزیستور چیست و چرا اهمیت دارد؟

ترانزیستور‌ها را می‌توان به عنوان «کلید‌های الکترونیکی» کوچک در نظر گرفت که جریان الکتریکی را کنترل و تقویت می‌کنند. آنها یکی از مهم‌ترین اختراعات قرن بیستم به حساب می‌آیند و پایه و اساس تمامی دستگاه‌های الکترونیکی مدرن، از تلفن‌های همراه گرفته تا ابررایانه‌ها، هستند.

در ساده‌ترین شکل، ترانزیستور‌ها جریان برق را به صورت یک سوئیچ روشن و خاموش مدیریت می‌کنند، اما این عملکرد ساده باعث ایجاد مدار‌های پیچیده و توانمند می‌شود که امروزه دنیای ما را شکل داده‌اند. با افزایش تقاضا برای دستگاه‌های کوچکتر، سریع‌تر و کم‌مصرف‌تر، ساخت ترانزیستور‌هایی با ابعاد نانومتری و عملکرد بالا ضروری شده است.

سیلیکون، ماده رایج در ساخت ترانزیستورها، با محدودیت‌های ساختاری و الکترونیکی مواجه شده که به آن «بحران مقیاس‌پذیری ترانزیستور» گفته می‌شود. به عبارتی، کاهش بیشتر ابعاد ترانزیستور‌های سیلیکونی به سختی امکان‌پذیر است و مشکلاتی مانند افت سرعت، ناپایداری حرارتی و نشت جریان به وجود می‌آید.

چالش‌های فناوری سیلیکونی و ضرورت جایگزینی

سیلیکون با وجود همه مزایایش، دارای محدودیت‌هایی است:

تحرک الکترون پایین‌تر: سرعت حرکت الکترون‌ها در سیلیکون محدود است که باعث کاهش سرعت پردازش در تراشه‌ها می‌شود.

نشت جریان: در ترانزیستور‌های بسیار کوچک، جریان غیرقابل کنترل بین بخش‌های مختلف عبور می‌کند که باعث اتلاف انرژی و افزایش حرارت می‌شود.

محدودیت در مقیاس‌پذیری: کاهش ابعاد ترانزیستور‌ها فراتر از حد مشخصی به علت اثرات کوانتومی و فیزیکی امکان‌پذیر نیست.

به همین دلیل، پژوهشگران به دنبال مواد و ساختار‌های نوینی هستند که بتوانند جایگزین یا مکمل سیلیکون شوند. یکی از این گزینه‌ها، ترانزیستور‌های مبتنی بر اکسید فلزی کریستالی است که عملکرد بهتر، پایداری بیشتر و قابلیت مقیاس‌پذیری بالاتری دارند.

فناوری ترانزیستور کریستالی اکسید فلزی با InGaOx

محققان دانشگاه توکیو ماده‌ای به نام «اکسید ایندیوم دوپ شده با گالیوم» (InGaOx) را انتخاب کردند. این ماده یک اکسید فلزی با ساختار کریستالی منظم است که به دلیل خاصیت نیمه‌رسانایی و تحرک الکترونی بالایش، گزینه مناسبی برای جایگزینی سیلیکون محسوب می‌شود.

دوپینگ چیست؟

دوپینگ یا ناخالص‌سازی، فرایندی است که در آن عناصر معدنی به صورت کنترل‌شده به ماده پایه اضافه می‌شوند تا ویژگی‌های الکتریکی آن تغییر کند. در این پروژه، افزودن گالیوم به ایندیوم اکسید باعث کاهش نقص‌های ساختاری مانند کمبود اکسیژن (vacancies) می‌شود که معمولاً باعث پراکندگی حامل‌ها و کاهش پایداری ترانزیستور می‌گردد.

ساختار ترانزیستور Gate-All-Around (GAA)

یکی از نوآوری‌های کلیدی در این ترانزیستور استفاده از طراحی «گیت احاطه‌کننده کانال» است. در این ساختار، دروازه کنترل جریان الکترون به طور کامل اطراف کانال عبور جریان را احاطه می‌کند. این حالت باعث می‌شود کنترل بهتری روی جریان الکترون‌ها داشته باشیم و کارایی و مقیاس‌پذیری دستگاه بهبود یابد.

فرایند ساخت:

برای ایجاد این ترانزیستور، لایه نازکی از InGaOx توسط تکنیکی به نام «رسوب لایه اتمی» (Atomic Layer Deposition یا ALD) روی کانال ترانزیستور قرار داده شد. این روش اجازه می‌دهد که لایه‌ای یکنواخت و دقیق به ضخامت تنها چند اتم ساخته شود. سپس این لایه با حرارت دادن تبدیل به ساختار کریستالی منظم می‌شود که موجب افزایش تحرک الکترونی و پایداری دستگاه می‌گردد.

مزایای ترانزیستور کریستالی GAA مبتنی بر InGaOx

تحرک الکترونی بالا: ترانزیستور جدید تحرک الکترونی ۴۴.۵ سانتی‌متر مربع بر ولت-ثانیه (cm²/Vs) را ثبت کرده است که نسبت به ترانزیستور‌های مشابه پیشین بهبود قابل توجهی دارد. تحرک بالاتر به معنی سرعت بیشتر حرکت الکترون‌ها و عملکرد بهتر ترانزیستور است.

پایداری در شرایط استرس الکتریکی: آزمایش‌ها نشان داد که این ترانزیستور می‌تواند به طور پایدار برای نزدیک به سه ساعت تحت استرس الکتریکی کار کند بدون آنکه افت قابل توجهی در عملکرد داشته باشد. این نشان‌دهنده دوام و قابلیت اطمینان بالا در کاربرد‌های واقعی است.

امکان مقیاس‌پذیری بهتر: طراحی Gate-All-Around باعث می‌شود این ترانزیستور در اندازه‌های کوچکتر عملکرد بهتری داشته باشد و به راحتی در تراشه‌های متراکم امروزی و آینده استفاده شود.

کاربرد‌های مهم و چشم‌انداز فناوری

این نوع ترانزیستور‌ها برای کاربرد‌هایی طراحی شده‌اند که نیاز به پردازش بسیار سریع و حجم بالای داده‌ها دارند، از جمله:

هوش مصنوعی (AI): پردازش الگوریتم‌های پیچیده یادگیری ماشینی که به سرعت و قدرت محاسباتی بالا نیاز دارند.

داده‌های بزرگ (Big Data): مدیریت و تحلیل داده‌های عظیم که در حوزه‌های مختلف علمی و صنعتی کاربرد دارند.

حفظ قانون مور (Moore’s Law): این ترانزیستور‌ها می‌توانند به حفظ روند افزایش تعداد ترانزیستور‌ها در هر واحد سطح کمک کنند، حتی در دنیای پساسیلیکونی.

بررسی ساختار و عملکرد ترانزیستور MOSFET مبتنی بر InGaOx

MOSFET چیست؟ ترانزیستور اثر میدان اکسید-فلز-نیمه‌رسانا یا MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) یکی از پرکاربردترین انواع ترانزیستور‌ها در صنعت الکترونیک است. عملکرد آن مبتنی بر میدان الکتریکی است که توسط گیت (Gate) ایجاد می‌شود و جریان را در کانال نیمه‌رسانا کنترل می‌کند. در ساختار‌های سنتی، گِیت فقط از یک طرف بر کانال کنترل دارد، اما در ساختار Gate-All-Around (GAA)، گِیت به صورت کامل دور تا دور کانال را می‌پوشاند و کنترل بیشتری را فراهم می‌آورد.

دلیل انتخاب ساختار GAA توسط محققان چیست؟

ساختار GAA به‌ویژه در مقیاس‌های نانومتری بسیار مؤثر است، زیرا:

کاهش نشت جریان (Leakage Current): با احاطه کامل گِیت بر کانال، امکان کنترل نشت جریان بالا می‌رود.

بهبود کنترل الکترواستاتیک: این ساختار از اثرات نامطلوبی مانند «کاهش ولتاژ آستانه» جلوگیری می‌کند.

افزایش تراکم ترانزیستور: این ساختار اجازه می‌دهد تعداد بیشتری ترانزیستور در یک تراشه قرار گیرد، در نتیجه قدرت پردازشی افزایش یابد.

فناوری ALD: رسوب لایه اتمی

یکی از کلیدی‌ترین مراحل ساخت این ترانزیستور، استفاده از فناوری رسوب لایه اتمی (Atomic Layer Deposition) است. این فرآیند رسوب‌دهی دقیق به پژوهشگران این امکان را می‌دهد تا لایه‌ای به ضخامت تنها چند اتم را با یکنواختی فوق‌العاده روی سطح موردنظر قرار دهند.

مزایای ALD:

کنترل دقیق ضخامت: امکان تولید لایه‌های نازک‌تر از یک نانومتر با دقت کنترل شده.

پوشش یکنواخت روی سطوح پیچیده: در ساختار‌هایی مانند GAA که هندسه سه‌بعدی دارند، ALD می‌تواند به‌طور یکنواخت سطح را بپوشاند.

افزایش کیفیت کریستالی: پس از گرمادهی (annealing)، لایه رسوب‌یافته به ساختار کریستالی منظم تبدیل می‌شود که برای افزایش تحرک الکترونی ضروری است.

عملکرد تحرک الکترونی: عدد قابل توجه ۴۴.۵ cm²/Vs

تحرک الکترونی (Electron Mobility) یکی از مهم‌ترین معیار‌های عملکرد ترانزیستور است. این مقدار بیان می‌کند که الکترون‌ها با چه سرعتی درون ماده حرکت می‌کنند.

در ترانزیستور طراحی‌شده توسط تیم دانشگاه توکیو، عدد ۴۴.۵ سانتی‌متر مربع بر ولت-ثانیه ثبت شده که در مقایسه با ترانزیستور‌های اکسید فلزی مشابه عددی بالا محسوب می‌شود. این تحرک بالا منجر به سرعت سوییچینگ بالاتر، مصرف انرژی کمتر و عملکرد سریع‌تر در مدار‌های مجتمع می‌شود.

این مقایسه نشان می‌دهد که InGaOx عملکردی به مراتب بهتر نسبت به سایر اکسید‌های فلزی مرسوم دارد.

ارزیابی پایداری و مقاومت تحت تنش الکتریکی

یکی از چالش‌های اصلی ترانزیستور‌های نانومقیاس، حفظ پایداری در طول زمان و در شرایط کاری شدید است. محققان نشان داده‌اند که ترانزیستور جدید می‌تواند تا سه ساعت تحت استرس ولتاژی بالا به صورت پایدار عمل کند. این آزمون در حوزه ترانزیستور‌ها با عنوان Bias Temperature Instability (BTI) شناخته می‌شود.

چگونه گالیوم باعث پایداری می‌شود؟

اکسید ایندیوم خالص دارای نقص‌های ساختاری اکسیژن است که منجر به پراکندگی حامل‌ها و ناپایداری ترانزیستور می‌شود. اما افزودن گالیوم به این ساختار باعث:

پر شدن یا کنترل نقص‌های اکسیژنی

کاهش پراکندگی حامل‌ها

افزایش عمر و دوام ترانزیستور می‌گردد.

چالش‌ها و ملاحظات صنعتی

گرچه این دستاورد بسیار امیدوارکننده است، اما ورود این فناوری به بازار صنعتی نیازمند عبور از موانع زیر است:

هزینه تولید: فرآیند ALD و استفاده از مواد کمیاب مانند ایندیوم و گالیوم هزینه‌بر است.

مقیاس‌پذیری صنعتی: ساخت ترانزیستور در ابعاد صنعتی نیازمند هماهنگی با خط تولید کارخانه‌های نیمه‌رسانا است.

پایداری در بلندمدت: نیاز به تست‌های طولانی‌مدت برای ارزیابی عملکرد در شرایط واقعی.

پتانسیل کاربردی در صنعت تراشه‌های AI و Big Data

در دهه آینده، پردازش‌های مربوط به یادگیری عمیق (Deep Learning)، بینایی ماشین، پردازش زبان طبیعی و تحلیل داده‌های عظیم به‌طور فزاینده‌ای نیازمند تراشه‌هایی با قدرت پردازشی بسیار بالا هستند. ترانزیستور‌های سریع، کم‌مصرف و پایدار نظیر InGaOx می‌توانند:

سرعت پردازش الگوریتم‌ها را افزایش دهند

مصرف انرژی را کاهش دهند

اندازه چیپ‌ها را کاهش داده و امکان نصب در دستگاه‌های کوچکتر را فراهم کنند

پژوهشگران امروزه با معرفی ترانزیستوری مبتنی بر اکسید ایندیوم-گالیوم و طراحی Gate-All-Around توانسته‌اند گامی بزرگ به سوی آینده‌ای بدون سیلیکون بردارند.

استفاده از این ماده با تحرک الکترونی بالا، پایداری چشمگیر و ساختار GAA نویدبخش انقلابی در طراحی تراشه‌های نسل بعد است. این ترانزیستور‌ها می‌توانند نیاز روزافزون صنایع به پردازش سریع، دقیق و کم‌مصرف را پاسخ دهند و موتور محرکی برای پیشرفت فناوری‌هایی همچون هوش مصنوعی، رایانش ابری و اینترنت اشیاء باشند.

با وجود چالش‌های موجود در مسیر تجاری‌سازی، این دستاورد علمی نقطه شروعی برای دوره‌ای جدید از نوآوری در صنعت نیمه‌رسانا به شمار می‌رود و می‌تواند فصل تازه‌ای در ادامه قانون مور رقم بزند.

این دستاوردها نه فقط برای دانشمندان و مهندسان، بلکه برای تمام کسانی که آینده‌ای پرشتاب‌تر و هوشمندتر را دنبال می‌کنند، خبری هیجان‌انگیز است. شاید بتوان گفت: آینده‌ی ترانزیستورها، دیگر شفاف نیست – بلکه کریستالی است.

انتهای پیام/