Hem performans hem de ölçeklenebilirlik açısından, geleneksel silikon tabanlı elektronikler hızla sınırlarına ulaşıyor. Bu nedenle, uzmanlar son birkaç yıldır elektronik bileşenlerin boyutlarının küçülmesine yardımcı olurken aynı zamanda hızlarını ve enerji verimliliklerini artırabilecek yeni tasarımlar önermeye çalışmaktadır.
California-Santa Barbara Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, 2D istiflenmiş yarı iletkenler üzerine inşa edilmiş ölçeklenebilir 3D alan etkili transistörlerin (FET’ler) üretiminin önünü açabilecek yeni bir çerçeve geliştirdiler. Nature Electronics, bu transistörlerin performansını etkileyebilecek kapsayıcı kapasitans ve Schottky temas etkileri gibi önemli parametreleri dikkate alan stratejilerini detaylandırıyor.
Araştırmacı Kaustav Banerjee’e göre, araştırma grubları atomik olarak ince kanallara sahip 2D yarı iletkenlerle bile pratik 10 nm altı FET’ler elde etmek için çok kapılı bir mimarinin önemini ilk vurgulayanlardan biriydi.
“Yakın zamanda üç boyutlu transistörlerin olanaklarına ışık tutmak için yarı iletken sektörünün önde gelen isimleriyle birlikte çalıştık ve geleceğin transistörleri üzerine yaptığımız araştırmada bu bakış açısını genişlettik” açıklamasında bulunuyor.
Yapılan son çalışma, atomik olarak ince 2D katmanlı malzemelerin farklı tasarımlara sahip yeni nesil 3D-FET’ler yapmak için kullanılabileceğini göstermeyi amaçladı. Bu transistörler için ideal malzeme, mimari ve tasarımın daha iyi anlaşılması da araştırmacıların hedeflerinden biriydi. Araştırmacılar, 2D malzemelerle çalışırken nano-plaka alan etkili transistörler (NPFET’ler) adını verdikleri yeni bir transistör mimarisini ortaya çıkardılar. Bu tasarımla hem performans hem de entegrasyon yoğunluğu artırılabilir.
Banerjee, ölçeklendirilmiş 3D transistörler tasarlamak için önerdikleri çerçevenin, kuantum taşıma formalizmini kullanarak taşıyıcı taşımayı simüle etmek için QTX adlı ticari olarak mevcut bir teknoloji bilgisayar destekli tasarım (TCAD) uygulamasını kullandığını söyledi. En güçlü kuantum taşıma yöntemlerinden biri olan denge dışı Green’s fonksiyonu çerçevesi (NEGF) bu araç tarafından kullanılmaktadır.
Araştırmacılar, çeşitli NEGF fonksiyonu varyantları için başarılı bir kütle tabanlı yöntem kullanmışlardır. Enerji bandı parabolik olmayan etkileri, uydu vadileri ve bu vadilerin sonlu enerji genişliği dikkate alındığında, bu yöntemin hem doğru hem de hesaplama açısından verimli olduğu belirlenmiştir.
Banerjee, “QTX’e beslenen parametreler, bir ab-initio yöntemi olan yoğunluk fonksiyonel teorisi (DFT) simülasyonları kullanılarak belirlendi. Kusurlu temas direnci ve taşıyıcı hareketinin etkisini hesaba kattığımızda daha kapsamlı simülasyonlar gerçekleştirildi.
Simülasyonları yaptıktan sonra araştırmacılar, 2D yarı iletken tabanlı 3D-FET’lerin silikondan yapılmış FET’lerden daha iyi performans gösterebileceği sonucuna vardılar. Bu 2D malzeme tabanlı 3D-FET’lerin kanal uzunluğunu yaklaşık 7 nanometreye veya altına düşürerek, WS2’nin en faydalı sonuçları ürettiği gösterildi.
Banerjee’ye göre, 2D yarı iletken tabanlı transistörlerle geliştirilen devreler, gelişmiş bir enerji gecikme ürününe (EDP) sahip. Bunun nedeni, 2D yarı iletkenin silikondan daha ince olması nedeniyle sürücü akımının yükseltilmesi ve cihaz kapasitansının azaltılmasıdır. Gelecekteki CMOS ölçeklendirmesini daha da kolaylaştırmak için, 2D yarı iletkenlere dayalı 3D-FET’lerin tasarımı için ayrıntılı bir plan da sağladık.
Bu araştırmacı grubu, transistörleri daha küçük hale getirmek için 2D yarı iletkenlerin inceliğinden ve dikey istiflemeden yararlanan yeni bir NPFET mimarisi geliştirdi. Daha önceki araştırmalarda sunulan benzer 3D-FET mimarileriyle karşılaştırıldığında bu tasarımla önemli performans ve entegrasyon yoğunluğu kazanımları olabilir.
Bu malzemelerin ve tasarımların standart CMOS süreçlerine entegrasyonu, gelecekteki araştırma faaliyetlerimizde endüstri ortaklarıyla yakın işbirliği yoluyla hızlandırılacaktır.” Ayrıca kendi kendine ısınma ve kusur saçılması gibi daha ideal olmayan süreçleri de dahil ederek modellerimizi geliştirmek istiyoruz. Bu alandaki deneysel araştırmacılar, kendilerine daha derin içgörüler sağlayacağı için bundan faydalanacaktır.
Kaynak: techxplore.com/news/2025-01-framework-scalable-3d-transistors-based.html
