Egy fizikai áttörés véget vethet a félvezetők korszakának

[The Korea Times/HWSW] Egy csapat dél-koreai tudós olyan tudományos áttörésről számolt be, amely elviekben lehetővé tenné az 5 nanométer csíkszélességű chipek előállítását is. A több mint 10 év kutatómunkája eredményeként megszülető technológia a szigetelő anyagot képes fémes vezetővé tenni, vagy megfordítani a folyamatot, azaz egyes fémeket szigetelővé változtatni. Ez hatalmas tudományos siker.

Ha akarom, vezető

A kormányzati és vállalati pénzekből finanszírozott Electronics and Telecommunications Research Institute (ETRI) keretein belül folyó projekt egy 56 éves hipotézist bizonyított be. Kim Hjun-tak, a kutatócsoport vezetője elmondta, "sok tudós hitte, hogy a nem vezető fémek, melyeket Mott szigetelőknek hívnak, hirtelen vezetőkké válnak magas feszültségű sokk hatására, de az elmúlt 56 éve során nem sikerült bebizonyítaniuk a feltevést. Mi viszont megcsináltuk".

Nevill Mott brit tudós még 1949-ben magyarázta meg néhány szilárd fém rejtélyes viselkedését, vagyis hogy nem vezetnek elektromos áramot. Ezt a jelenséget és ezeket az anyagokat ezért róla nevezték el. Mott szerint ezekben a speciális fémekben olyan taszítóerő lép fel az elektronok szintjén, amely megakadályozza, hogy azok szabadon áramolhassanak az anyagban. A fémes anyagok így szigetelők maradnak. Mott úgy jósolta, hogy ez az elektronok közt fellépő taszító egyensúly magas feszültség mellett összeomlik, így a szigetelés megszűnik.

"Több mint 10 éves kutatással bebizonyítottuk, hogy jóslata 100 százalékig helyes volt. Most birtokunkban van egy technológia, amellyel egyes fémeket szigetelővé tudunk átalakítani, illetve vica versa. Megnyitottunk egy korszakot a fémek elektromos jellemzőinek irányításával" -- mondta Kim, aki máris dollár százmilliárdos ipar létrejöttét vizionálja. "A 20. század a félvezetők kora volt, ez a század azonban a Mott szigetelők korszaka lesz. Ezek az anyagok 100 milliárd dollárosnál nagyobb piacot fognak megnyitni a jövőben" -- tette hozzá.

Szuperminiatürizáció

A szilícium félvezetőkön alapuló jelenlegi ipar legfejlettebb üzemei 90 nanométeres lapkákat állítanak elő tömeges méretekben, a 65 nanométeres csíkszélességet produkáló eljárással készült termékek pedig jövőre jelennek meg tömegesen a piacon, elsőként valószínűleg az Intel kínálatában. Ha egy adott chipet a jelenlegi 90 nanométeres technológia helyett 5 nanométeressel készítenénk el, akkor 324-szer lenne kisebb, azaz egy tokozatlan Athlon 64 vagy Pentium 4 chipből több tucat férne el egyetlen körmünkön.

A Mott fémek használatától az ETRI tudósai azt várják, hogy a félvezetőgyártók miniatürizációs problémái enyhülnek. A szilíciumalapú, szennyezéssel vezetővé tett struktúrák rendkívül praktikusan manipulálhatóak, így a technológia alkalmas chipek olcsó és tömeges előállítására. Egy korszerű mikroprocesszor gyártási költsége tokozás nélkül legfeljebb néhányszor tíz dollár. A félvezetők ugyanakkor működésük során jelentős hőt szabadítanak fel, illetve az elektronok tartós folyama igénybe veszi a vezető csíkokat és a huzalozást. Ez a jelenség egyre erősödik, ahogyan a csíkszélesség csökkentésével egyre nagyobb sűrűségben találhatók meg a tranzisztorok és a vezetékek a chipeken.

Míg egy évtizeddel ezelőtt a 200 MHz-es Pentium 3,3 millió tranzisztorával kevesebb mint 15 wattot fogyasztott, addig ma egy AMD Athlon 64 FX vagy Intel Pentium 4 fogyasztása 100 watt körül mozog, tranzisztorszámuk pedig meghaladja a 100 milliót is. Amennyiben Moore törvényének megfelelően a további ütemben kívánják növelni a lapkák integráltságát a gyártók, úgy komoly kihívásokkal kell megküzdeniük a jövőben. Gordon Moore, az Intel egyik társalapítója negyven éve tette azt a megfigyelést és prognózist, hogy a félvezető lapkákra integrált tranzisztorok sűrűsége másfél évente megkétszereződik. Később ezt az időt másfél-két évre módosította.

De mi a baj?

A integráltság fokozását a miniatürizáció teszi lehetővé, ahogyan egyre kisebb, vékonyabb struktúrákat képes a fejlődő gyártástechnológia létrehozni. A kicsinyítés azonban közelíti azt a határt, ahol már nem a mikroelektronika, hanem a nanovilág, a kvantumfizika törvényei uralkodnak. Az egyre vékonyabb és egyre sűrűbben elhelyezkedő félvezetőket az elektronok áramlása és az általuk keltett hő igencsak megterheli. Az elektronok egyre nagyobb arányban törnek ki rendeltetésszerű útvonalukból, és feleslegesen áramolnak keresztül a lapkán. Ezt az ipar szivárgási áramként ismeri. A mai nagyteljesítményű chipeknél a szivárgási áram a teljes fogyasztás negyedét-harmadát is elérheti.

A szivárgási áram okozta fogyasztáson kívül a létrejött hő is megnehezíti a chipek megtervezését, mivel a lapkák egyes részeinek működése alatt, a rendkívüli sűrűség miatt felforrósodhatnak a tranzisztorok, vezetékek. Ráadásul ezek a forró részek pontokban, foltokban találhatóak, miközben a szilícium alapú chip más részei lényegesen alacsonyabb hőmérsékleten maradhatnak.

A mérnököknek újabb és újabb technikákat, megoldásokat kell kidolgozni annak érdekében, hogy a jövő még kisebb méreteket produkáló gyártástechnológiával készült chipjei kevésbé szivárogjanak, csökkentve a fogyasztást és hőkibocsátást. Ezek közé tartozik az órajelkapuzás és az alvó tranzisztorok bevezetése, mikor a nem használt áramkörök azonnal lekapcsolnak a feszültségről, ha nem végeznek munkát, illetve új szigeletőanyagok bevetése, új típusú tranzisztorok alkalmazása.

Ezek azonban még mindig nem adnak választ arra, hogy az elektronfolyam keltette terhelés a félvezetők vékonyodásával nagyságrendekkel nő. A szennyezett szilíciumban száguldozó elektronok lassan, de biztosan kiszaggatják struktúrájukból az atomokat, ami egy idő után a vezeték jelentős sérüléséhez, majd teljes megrongálódásához vezet. Ez a chip működésének végét jelenti. Ez az úgynevezett elektronmigráció jelensége.

Az egyirányú, nagy töltésű elektromos áram tehát egyszerűen elfogyasztja a túlságosan vékony vezető anyagot. Az atomok mérete az elem típusától változó, de hozzávetőleg 0,05-0,1 nanométer, így 90 nanométeres csíkszélesség mellett 900-1800, 65 nanométeren pedig már csak 650-1300 atom található hozzávetőlegesen egy félvezetőben. Közeledik az a határ, ahol az elektromigráció az átfolyó hatalmas töltés miatt elviselhetetlenné válik a félvezető anyagok számára.

Roncsolódott rézvezeték; forrás: wikipedia.org

Vázlatos jövő

Az ETRI csapata által kidolgozott Mott anyagok nagyfeszültségű sokkolásukat követően fémes vezetőkké válnak, ami azt jelenti, hogy felveszik a fémek elektronvezetési jellemzőit. Ezek közül a legjelentősebb, hogy a félvezetőkhöz képest többszörösen jobb tulajdonságokkal rendelkeznek, így az elektronok sokkal kisebb ellenállással áramolhatnak -- ez magával vonja a kevesebb felszabaduló hőt. A dél-koreai intézmény elnöke, Lim Dzsoo-hwan elmondta, hogy várakozásaik szerint a természetes körülmények között kifogyhatatlan mennyiségben fellelhető Mott anyagok alkalmazásával lehetővé válhat 5 nanométeres struktúrák kialakítása, így azok felválthatják a szilíciumalapú félvezetőket.

A japán Institute of Advanced Science and Technology (fejlett tudományok és technológia intézete) tudósa, Jaszumoto Tanaka által fizikai Nobel díjra érdemesnek tartott eredmény további sorsát valószínűleg nagyrészt az határozza majd meg, hogy a félvezetőipar hogyan értékeli annak alkalmazhatóságát. A jelenlegi, úgynevezett CMOS technológiában akkora befektetések fekszenek, hogy az ipar szereplői mindent elkövetnek, hogy minél inkább kitolják az elkerülhetetlen váltás időpontját.

Iparági szakemberek és elemzők szerint a mikroelektronika legfeljebb a jövő évtized végéig tarthat ki a legelszántabb erőfeszítések mellett is, így addigra már ipari szinten bevetésre készen kell állnia a nanoelektronikai megoldásoknak. A jelenleg ismert jelentkezők között vannak a szén nanocsövek, az optikai kristályok, valamint a szerves logikák is. Az, hogy melyik lesz a befutó, a következő 10 év során folytatott kutatások eredményei fogják eldönteni annak fényében, hogy a gazdaságos ipari alkalmazhatóság döntő kritériumának mennyire felelnek meg a laborokban kidolgozott eljárások.