מאת: יוחאי שויגר

במאמר שפורסם בירחון Nature, חוקרים בסין טוענים כי הם פיתחו סוג חדש של טרנזיסטור FET הבנוי במבנה של Gate All Around (GAA) שאינו מבוסס על סיליקון, אשר עשוי לאפשר פיתוח של של רכיבים ומעבדים שיהיו מהירים וחסכוניים יותר באנרגיה בהשוואה לרכיבים ומעבדים מבוססי-סיליקון. באתר של אוניברסיטת פקינג הנמצאת בבירה בייג'ינג, שבה נערך המחקר, הרחיקו לכת והצהירו: "זהו הטרנזיסטור המהיר והיעיל ביותר אי-פעם".

לטענת החוקרים, מעבדים המבוססים על הטרנזיסטורים החדשים יהיו מהירים ב-40% יותר ממעבדים המיוצרים על-ידי TSMC ואינטל בגיאומטריה של 3 ננומטר, תוך שהם צורכים כ-10% פחות אנרגיה. לא בכדי הציבו החוקרים כנקודת ייחוס מעבדים המיוצרים בתהליך של 3 ננומטר, מאחר שבשל המגבלות של ארצות הברית, סין מתקשה להשיג ציוד וטכנולוגיות שיאפשרו ייצור שבבים ברוחב צומת של 3 ננומטר.

למעשה, מעניין לראות כיצד האילוצים שנובעים מהסנקציות האמריקאיות המחמירות, שנועדו להצר את התקדמותה הטכנולוגית של סין בייצור שבבים, דווקא דוחפים אותה לחקור ולךפתח שיטות חלופיות שאולי יתבררו בעתיד כיעילות יותר. ואומנם, החוקר הראשי שהוביל את המחקר, פרופ' לכימיה היילינג פנג מאוניברסיטת בייג'ינג, הצהיר בראיון לעיתון בסין כי "אם עד עכשיו חיפשנו קיצורי דרך – כעת מדובר בהחלפת מסלול".

הדגמת יכולת לייצור המוני בפרוסות

הטרנזיסטור החדש מורכב מתרכובת של חמצן, ביסמוט וסלניום. זהו חומר מוליך-למחצה בעל מבנה שכבות דו-מימדי (2D semiconductor), המתאפיין בניידות אלקטרונים גבוהה המאפשרת שימוש במתח נמוך, וכן הוא בעל מרווח אנרגיה ישיר המתאים ליישומים לוגיים כמו מעבדים. החוקרים הדגימו את הטרנזיסטור במבנה תלת-מימדי של שכבות דו-מימדיות שהוערמו זו על גבי זו בטכנולוגיה של גידול אפיטקסילי, ובקונפיגורציה של Gate-All-Arount-Field-Effect-Transistor (או GAA-FET).

זוהי ארכיטקטורה חדשה בתעשיית השבבים שבה השער מקיף את הערוץ (channel) מכל עבריו ועל-ידי כך מוגברת היעילות החשמלית של הצומת. גיאומטריית GAA מצאפיינת את התהליכים המתקדמים ביותר של סמסונג, TSMC ואינטל. חשוב להדגיש כי החוקרים הדגימו את הטרנזיסטור החדש בקנה מידה של פרוסה שלמה (wafer-scale system), ולא בדוגמית מעבדה בלבד.

זהו היבט חשוב, מאחר שישנו פער בין היכולת להדגים שימושיות של חומר מוליך-למחצה בדוגמיות מעבדה קטנות לבין היכולת לייצר טרנזיסטורים ושבבים מרובי-טרנזיסטורים באופן המוני במתכונת של פרוסות. הדבר מרמז שהחוקרים הסיניים קרובים מאוד ליכולת ייצור תעשייתית. כמו כן, ייתכן שהיכולת לייצר את הטרנזיסטורים החדשים בקנה מידה של פרוסות הומוגניות תאפשר לשלב את הטכנולוגיה הזו בתהליכי ייצור קיימים.

הדור הבא בתעשיית השבבים

בתעשיית השבבים כבר נעשה שימוש בחומרים שאינם סיליקון עבור יישומים ספציפיים, כמו למשל שימוש בטרנזיסטורים מבוססי גאליום-ניטריד (GaN) וסיליקון-קרביד (SiC) לייצור רכיבי הספק ו-RF, וזאת מאחר שחומרים אלה מתאפיינים בתכונות מיוחדות, כמו תגוטבה מהירה, יעילות שמלית משופרת ועבודה במתחים גבוהים. עם זאת, השימוש בחומרים אלה עדיין מצומצם בשל הקושי לייצר אותם באופן כדאי בקנה מידה המוני.

חומרים דו-מימדיים הם תחום מחקר חדשני בתעשיית השבבים. הטרנזיסטורים מוגדרים כדו-מימדיים מאחר שהערוץ עשוי משכבות דקיקות של חומר בעובי של אטומים בודדים. המבנה הדו-מימדי השטוח מקנה להם מספר תכונות עדיפות כגון אובדן אנרגיה נמוך, יעילות גבוהה ויכולות מזעור. שימוש בחומרים דו-מימדיים, כמו גרפן או החומר שבו השתמשו החוקרים בסין, עשוי לאפשר את המשך "חוק מור" ולייצר גיאומטריות מתחת ל-1 ננומטר.