Sidebar

Magazine menu

28
شنبه, نوامبر
0 New Articles

کشف ماده‌ای جدید شاید به ساخت ترانزیستورهای بسیار کوچک منجر شود

نجوم و علم و دانش
Typography
  • Smaller Small Medium Big Bigger
  • Default Helvetica Segoe Georgia Times

در دنیای نیمه‌هادی یک اصطلاح طنز مرسوم وجود دارد که قانون مور را پوشش می‌دهد. این اصطلاح می‌‌گوید تعداد افرادی که مرگ قانون مور را پیش‌بینی می‌‌کنند، با گذشت هر دو سال، دوبرابر می‌شود. قانون مور، به نظریه‌ی گوردون مور در دهه‌ی ۱۹۷۰ باز می‌گردد. او که یکی از هم‌بنیان‌گذارهای اینتل، غول دنیای پردازنده است، در نظریه‌اش ادعا می‌کرد که با گذشت هر دو سال، تعداد ترانزیستورهای قابل جانمایی در یک تراشه‌ی سیلیکونی دوبرابر می‌شود. در میانه‌ی دهه‌ی ۱۹۸۰، تعداد ترانزیستورهای موجود در تراشه از یک میلیون بالاتر رفت و برخی تصور کردند که روند رشد، کاهش پیدا می‌کند. در سال ۲۰۰۵، تعداد به بیش از یک میلیارد قطعه رسید و باز هم برخی ادعای ناپایدار بودن پیشرفت را مطرح کردند. اکنون بیش از ۵۰ میلیارد ترانزیستور در هر تراشه‌ی سیلیکونی وجود دارد و ظاهرا تولیدکننده‌ها در مسیر افزایش هرچه بیشتر تعداد هستند.

در وضعیت کنونی صنعت، کوچک‌ترین قطعات الکترونیکی یک تراشه‌ی سیلیکونی (ترانزیستورها و دیودها)، فاصله‌ای حدود هفت نانومتر دارند. این عدد، یک‌هزارم قطر یک سلول گلبول قرمز است. رسیدن به چنین ابعاد کوچکی، با چالش‌های بسیاری نیز همراه می‌شود. هرچه قطعات کوچک‌تر شوند، الکترون‌ها از اتصال بین‌ آن‌ها به بیرون درز می‌کنند و منجر به تداخل یا عدم پایداری می‌شوند. دراین‌میان، طرفداران مرگ قانون مور دوباره خود را نشان داده‌اند، اما ظاهرا متخصصان علم مواد، راهکاری برای چالش کنونی دارند. محققان کره‌ی جنوبی و بریتانیا به پاسخی برای مشکل خروج الکترون‌ها دست پیدا کرده‌اند و ماده‌ای بهتر برای عایق‌بندی قطعات معرفی می‌کنند. آن‌ها فیلم نازکی از جنس نیترید بور (a-BN) بی‌شکل را پیشنهاد می‌دهند.

نیترید بور بی‌شکل، مشکل نشت کردن الکترون در قطعات الکترونیکی بسیار کوچک را حل می‌کند

پس‌زمینه‌ی ساخت ماده‌ی نیترید بور بسیار جالب به‌نظر می‌رسد. بور و نیتروژن در جدول تناوبی در دو سمت کربن قرار دارند. درنتیجه موادی که از ترکیب تعداد برابر اتم‌های نیتروژن و بور ساخته می‌شوند، ساختار کریستالی شبیه به کربن پیدا می‌کنند. به بیان دیگر، موادی شبیه به الماس و گرافیت وجود دارند که از جنس نیترید بور هستند. همچنین گزینه‌های جایگزین از جنس نیترید بور برای ساختارهای بسیار ریز کربنی همچون  و نانوتیوب هم وجود دارد. در سال ۲۰۰۴ هم که گرافین به‌عنوان یکی از آلوتروپ‌های جدید کربن معرفی شد (ساختاری شامل یک لایه از اتم‌های کربن که شبیه به شانه‌ی عسل جانمای شده‌اند)، نسخه‌ای از جنس نیترید بور آن نیز وجود داشت که به در اصطلاح عموم به‌نام گرافین سفید شناخته می‌شود.

گرافین سفید در میان ماده‌های دوبعدی شهرت زیادی پیدا نکرد. ماده‌های دوبعدی به همان لایه‌های نازک اتمی گفته می‌شوند که گرافین و گرافین سفید هم از همان‌ها هستند. گرافین اصلی در زمان رونمایی به‌خاطر قدرت بالا و توانایی انتقال مناسب گرما و الکتریسیته به‌عنوان ماده‌ای جادویی و سرنوشت‌ساز معروف شد. کارشناسان بر این باور بودند که گرافین می‌تواند زمانی برای ساخت ترانزیستورهایی بسیار کوچک‌تر از نمونه‌های سیلیکونی استفاده شود و قانون مور را زنده نگه خواهد داشت. البته گرافین برای چنین کاربردی با یک مشکل بزرگ روبه‌رو بود. این ماده، ندارد.

image

نوار ممنوعه به زبان ساده به انرژی گفته می‌شود که برای عبور الکترون از یک ماده نیاز خواهد بود. باریک بودن نوار ممنوعه یعنی با ماده‌ای رسانا روبه‌رو هستیم. عریض بودن نوار نیز ماده را عایق می‌کند. عدم وجود نوار ممنوعه در گرافین که بسیار هم عجیب به‌نظر می‌رسد، آن را به یک رسانای عالی تبدیل می‌کند، اما برای تبدیل شدن به ماده‌ای برای ساخت ترانزیستور، باید خصوصیات نیمه‌هادی در ماده وجود داشته باشد. درواقع ماده‌ی تولید ترانزیستور باید نوار ممنوعه‌ای بینابینی بین حالت بسیار باریک (رسانا) و بسیار عریض (عایق) داشته باشد. تاکنون تلاش‌های متعددی برای ساخت گرافین‌هایی انجام شده است که خصوصیت جادویی مورد نیاز را داشته باشند، اما دستاوردها همیشه محدود به آزمایشگاه‌ها بوده‌اند.

مقاله‌های مرتبط:

مطالعه‌ی گرافین و مواد مشابه آن، تجربه‌هایی عالی را دراختیار متخصصان حوزه‌ی مواد دوبعدی قرار داد و اینجا بود که نقش نیترید بور اهمیت پیدا کرد. نیترید بور به‌خاطر نوار ممنوعه‌ی عریض، کاربردی به‌عنوان نیمه‌هادی ندارد. ازطرفی خصوصیات این ماده، آن را به راهکاری مناسب برای جلوگیری از نشت کردن الکترون تبدیل می‌کند. همان‌طور که گفته شد، محققان کره‌ی جنوبی (از سامسونگ) با همکاری دانشگاه کمبریج موفق به ساخت فیلم نازکی از نیترید بور شده‌اند که ساختار شش‌ضلعی مرسوم گرافین سفید را ندارد. به‌همین دلیل به آن «بی‌شکل» گفته می‌شود. درنهایت، روش تولید این ماده شاید استفاده از آن را در فرایند ساخت تراشه‌ها ممکن کند.

مواد فیلمی بسیار نازک عموما با روشی به‌نام CVD یا انباشت بخار شیمیایی ساخته می‌شوند و نیترید بور بی‌شکل هم باید از همین روش پیروی کند. در روش CVD، ماده‌ی موردنظر بخار می‌شود و سپس بخار را در یک بستر مخصوص انباشته می‌کنند. در دنیای میکروالکترونیک، بستر مخصوص از جنس ویفر سیلیکون است.

در شرایط عمومی برای مواد دوبعدی مانند گرافین یا گرافین سفید، عملیات CVD در دمای بالای ۷۰۰ درجه‌ی سانتی‌گراد انجام می‌شود. رسیدن به چنین دمایی برای کارخانه‌های کنونی تولید تراشه آن‌چنان آسان نیست. البته محققان می‌گویند با استفاده از فیلم بسیار نازک نیترید بور، می‌توان فرایند را در دمای ۴۰۰ درجه هم انجام داد. دمای پایین یعنی می‌توان ماده‌ی جدید را با فناوری‌های کنونی در کارخانه‌های تولید تراشه‌ی کامپیوتری (مشهور به Fab) تولید کرد و نیازی به ارتقا تجهیزات و ماشین‌آلات نیست. حتی دانشمندان می‌گویند ساخت a-BN از دیگر مواد دوبعدی هم آسان‌تر خواهد بود.

منبع

امروز108
دیروز184
این هفته1212
این ماه5780
کل99269

1
آنلاین

ما 278 مهمان و بدون عضو آنلاین داریم

ایجاد موضوع جدید در تالارگفتمان