جهشی بزرگ با قطعه‌ای کوچک: دانشمندان ژاپنی ترانزیستوری بدون سیلیکون ساختند

به گزارش سیلاد و به نقل از سایت اینترستینگ انجینیرینگ، در این پروژه، لایه‌هایی بسیار نازک از اکسید ایندیوم با افزودۀ گالیم ــ تنها به ضخامت یک اتم ــ روی هم قرار گرفتند تا ماده‌ای با قابلیت بالای هدایت الکترونی تولید شود.
 
گفتنی است که این دستاورد، حاصل تلاش محققان «مؤسسۀ علوم صنعتی دانشگاه توکیو» (IIS) است. آن‌ها با کنار گذاشتن سیلیکون، عنصری که سال‌ها ستون فقرات فناوری دیجیتال بود، راهی تازه برای ساخت ترانزیستورها گشودند؛ قطعه‌هایی که در قلب تقریباً تمام ابزارهای الکترونیکی قرار دارند، از گوشی‌های هوشمند گرفته تا خودروها و هواپیماهای امروزی.
 
البته ترانزیستورهای سیلیکونی تاکنون نقشی کلیدی در کوچک‌سازی رایانه‌ها ایفا کرده‌اند؛ دستگاه‌هایی که زمانی یک اتاق را پر می‌کردند، اکنون به‌راحتی در جیب جا می‌شوند.

اما هرچه اندازه ابزارها کوچک‌تر شده، محدودیت‌های فناوری سیلیکونی نیز آشکارتر گشته است. اکنون دانشمندان در تلاش‌اند جایگزین‌هایی بیابند که بتوانند در ابعاد کوچک‌تر، کارایی بیشتری ارائه دهند.
 
طراحی تازه، کارایی بیشتر
 گروه پژوهشی دانشگاه توکیو در جست‌وجوی راهکاری برای ارتقای ساختار ترانزیستور، طراحی دروازه‌ای کاملاً متفاوت را مطرح کرده است. در ترانزیستور، این «دروازه» تعیین می‌کند که جریان الکتریسیته عبور کند یا نه. در مدل جدید، این دروازه به‌جای قرارگیری در یک سمت، تمام کانال عبور جریان را در بر می‌گیرد.
 
دکتر «آنلان چن»، یکی از اعضای این تیم پژوهشی، توضیح می‌دهد: «وقتی دروازه به‌طور کامل دور کانال پیچیده شود، هم کارایی و هم قابلیت کوچک‌سازی ترانزیستورها به‌طور قابل‌توجهی افزایش می‌یابد.»
 
اما با کنار گذاشتن سیلیکون، پژوهشگران باید بر چالش‌های فیزیکی جدیدی غلبه می‌کردند. اکسید ایندیوم، که به‌عنوان ماده پایه انتخاب شد، ذاتاً دارای نقص‌هایی در ساختار خود است که عملکرد دستگاه را تضعیف می‌کند. راه‌حل پیشنهادی: افزودن گالیم برای اصلاح این نقص‌ها و تقویت پایداری ترانزیستور.
 

 چگونه این ترانزیستور ساخته شد؟
 گفته می‌شود که برای ساخت این ترانزیستورها، از روش «رسوب‌گذاری لایه به لایه اتمی» استفاده شد. در این فرآیند، یک فیلم نازک از ترکیب اکسید ایندیوم و گالیم (InGaOx) با دقتی بی‌نظیر، لایه‌به‌لایه روی سطح کانال قرار گرفت.

سپس این ساختار با اعمال حرارت به‌حالت بلوری در‌آمد تا شرایط مناسب برای تحرک‌پذیری الکترون‌ها فراهم شود.
 
نتیجۀ نهایی، ترانزیستوری از نوع MOSFET با ساختار «دروازه‌تمام‌دور» بود که توانست به تحرک‌پذیری چشمگیر ۴۴.۵ سانتی‌متر مربع بر ولت‌ثانیه دست یابد؛ رقمی قابل‌توجه در مقیاس نانو.

دکتر چن در بیانیه‌ای مطبوعاتی افزود: «این دستگاه توانست تقریباً سه ساعت تحت فشار الکتریکی بدون ناپایداری عمل کند که نویدبخش دوام و پایداری بالاست.»
 
عبور از مرز سیلیکون به‌سوی آینده
 بر اساس اعلام تیم تحقیقاتی، ترانزیستور ساخته‌شده نه‌تنها عملکرد بهتری از نمونه‌های مشابه پیشین داشته، بلکه زمینه را برای تولید قطعات الکترونیکی با چگالی بالا و قابلیت اطمینان بیشتر فراهم می‌کند. این فناوری می‌تواند نقش مهمی در حوزه‌های پیشرفته‌ای چون هوش مصنوعی، پردازش کلان‌داده و حتی اینترنت اشیا ایفا کند.
 
جالب آن‌که با کوچک‌تر شدن این ترانزیستورها، افق تازه‌ای برای طراحی ابزارهای هوشمند کوچک‌تر نیز گشوده شده است. از همه مهم‌تر، این پژوهش نشان می‌دهد که طراحی هوشمندانۀ مواد می‌تواند راهی فراتر از وابستگی به سیلیکون بگشاید.
 
گامی به‌سوی عصر تازه فناوری
 شایان ذکر است که با نزدیک شدن سیلیکون به مرزهای فیزیکی خود، این نوع پژوهش‌ها نشان می‌دهند که آینده فناوری در گرو نوآوری در سطح مواد و معماری قطعات است.

هرچند ترانزیستور جدید هنوز راه درازی تا ورود به بازارهای صنعتی دارد، اما همین نمونه‌های اولیه، نگاهی جذاب به آینده‌ای فراهم می‌کنند که در آن، الکترونیک سبک‌تر، سریع‌تر و قدرتمندتر از همیشه خواهد بود.