تقنيات ترانزيستور تحقق نقلة نوعية في معالجة مشاكل الطاقة والحرارة

تمكن باحثو إنتل من اكتشاف مواد جديدة لتحل محل تلك المستخدمة لتصنيع الرقاقات منذ أكثر من 30 عاماً. ويعتبر هذا الابتكار الذي يشكل اختراقاً مهماً في عالم تصنيع الرقاقات، بمثابة إنجاز رائد مع سعي هذه الصناعة المستمر لتقليص معدل تسريب التيار الكهربائي في الترانزيستورات. وجدير بالذكر أن هذه المشكلة تزداد أهمية بالنسبة لمصنعي الرقاقات خاصة في ضوء الاتجاه المتزايد لتركيب أعداد أكبر من الترانزيستورات على قطع دقيقة من السليكون.
وقد طور باحثو إنتل ترانزيستورات ذات أداء عال قياسي مستخدمين في ذلك مادة جديدة تسمى (gate dielectric) شd high-k ومواد معدنية جديدة لبوابة الترانزيستور. والترانزيستورات هي المفاتيح الدّقيقة المبنية على السليكون والتي تعالج ارقام الواحد والصفر في العالم الرقمي. والبوابة تشغل الترانزيستور وتوقفه أما ال (gate dielectric).
فهو عازل رقيق يوضع تحت الترانزيستور. وسوياً، تساعد المواد الجديدة على تقليص تسريب التيار الكهربائي الذي يؤدي إلى انخفاض طاقة البطارية ويُولَد حرارة غير مرغوب فيها. وقد صرحت إنتل أن مادة high-k الجديدة تخفض معدل التسريب بأكثر من 100 مرة مقارنة بمادة ثاني أكسيد السليكون المستخدمة طوال العقود الثلاثة الماضية. وصناعة أشباه الموصلات تبحث منذ سنوات على مواد ترانزيستور جديدة للبوابة، لكن الصعوبات التكنولوجية حالت دون حصول تطبيقات عملية. وعلق سونلين تشو، كبير نواب الرئيس والمدير العام في مجموعة التكنولوجيا والتصنيع في إنتل قائلا: "ان هذا هو العرض المقنع الأوّل الذي يبرهن أن موادّ البوّابة الجديدة ستمكّن التّرانزيستورات من أن تعمل بشكل أفضل، وان تتغلب على الحدود الجوهرية لمادة السليكون ثاني الأكسيد التي تخدم الصناعة منذ أكثر من ثلاثة عقود.
سوف تستخدم إنتل هذا التّقدّم النوعي مع الابتكارات الأخرى، مثل السليكون المضغوط والترانزيستورات الثلاثية البوابات tri-gate، لتمديد تدريج الترانزيستور وقانون مور".
ووفقاً لقانون "مور"، يتضاعف عدد الترانزيستورات على الرقاقة بحوالي مرتين كل عامين ما ينتج عنه المزيد من المزايا وأداء أعلى وتكلفة أقل لكل وحدة ترانزيستور. وللمحافظة على وتيرة الابتكار هذه، يجب أن يستمر حجم الترانزيستورات في الانكماش. ولكن، ومع المواد المستخدمة حالياً، بلغت القدرة على تصغير حجم الترانزيستورات إلى أقصى حدودها بسبب المشاكل المتزايدة في مجال تسريب الطاقة والحرارة. ولهذا، من الضروري لاستمرارية قانون "مور" أن تعتمد صناعة الرقاقات مواد جديدة وهيكليات مبتكرة.
ويحتوي كل ترانزيستور على مادة عازلة تسمى gate-dielectric والتي تعتبر حيوية لتشغيله. وقد كانت مادة ثاني أكسيد السليكون طوال الثلاثين سنة الماضية المادة المفضلة لهذا العنصر المهم في صناعة الترانزيستور بفضل قابلية تصنيعها وقدرتها على توفير أداء ترانزيستور محسن مستمر وبأحجام أصغر.
وقد نجحت إنتل في تصغير gate-dielectric ثاني أكسيد السليكون إلى أحجام تصل سماكتها حتى 1,2 نانومتر (nm)، أي ما يوازي خمس طبقات ذرية فقط. وكلما رقت سماكة مادة ثاني أكسيد السليكون، يزيد معدل تسريب التيار الكهربائي من خلال gate-dielectric ويؤدي إلى هدر التيار والحرارة غير الضرورية. ولحل هذه المشكلة المهمة، تنوي إنتل استبدال المادة المستخدمة حالياً بمادة high-k أكثر سماكة في gate-dielectric مما يخفض بقدر كبير معدل تسريب التيار الكهربائي.
والجزء الثاني من الحل هو تطوير مادة بوابة معدنية لأن high-k gate dielectric ليست متوافقة مع بوابة الترانزيستور الحالية. وجمع high-k gate dielectric مع البوابة المعدنية يسمح بتقليص معدل تسريب التيار بنسبة كبيرة بينما يحافظ على أداء الترانزيستور العالي جداً ما يُمكن من دفع تطور قانون "مور" ودفع عجلة الابتكار التقني حتى العقد القادم. وتعتقد إنتل أن هذه الاكتشافات الجديدة يمكن دمجها في عملية تصنيع اقتصادية لتصنيع الرقاقات بأعداد كبيرة والشركة الآن بصدد الانتقال بهذه الأبحاث إلى مرحلة التطوير.
وتهدف إنتل إلى دمج الترانزيستورات المصنعة بواسطة هذه المواد الجديدة في معالجات إنتل المستقبلية بحلول عام 2007، وذلك لتشكل جزءا من عملية تصنيع 45 نانومتر التي تعتمدها الشركة.وستناقش إنتل تفاصيل تطوير مواد الترانزيستور الجديدة يوم 6 نوفمبر في ورشة العمل العالمية لعام 2003 حول عوازل البوابات التي ستقام في طوكيو.
وسيوجز بحث إنتل التحدي الصعب الذي تواجهه صناعة الرقائق لتطوير ودمج مواد جديدة في الوقت المناسب لحل مشكلة تسريب التيار الكهربائي واستهلاك الطاقة وتسريب الحرارة، وذلك بالتركيز على اختراقين مهمين: تحديد المادة المناسبة ل high-k gate dielectric التي ستحل محل ثاني أكسيد السليكون المستخدمة حالياً وتحديد مواد معدنية تحل محل مادة البوابة الحالية المتوافقة مع high-k gate dielectric.