Analog/RF performance of Hexagonal Gate All Around Nanosheet FET with Spacer Engineering

لفهم عمل هؤلاء الباحثين، يجب على المرء أولاً أن يتخيل المفاتيح الصغيرة التي تشغل عالمنا الحديث. هذه هي الترانزستورات، وهي اللبنات الأساسية لرقائق الكمبيوتر. لعقود من الزمن، عمل المهندسون على جعلها أصغر فأصغر لحشد المزيد من القوة في مساحة أقل. ومع ذلك، عندما تتقلص هذه المفاتيح لتصل إلى حجم بضع ذرات، تبدأ في التصرف بشكل غير متوقع. فالإشارات الكهربائية التي ينبغي أن تتدفق بسلاسة عبر الجهاز تبدأ في التسرب، وتضعف قدرة البوابة الرئيسية على التحكم في تدفق الكهرباء. هذه مشكلة تُعرف بـ "تأثيرات القناة القصيرة"، وهي تهدد بتعطيل تقدم الإلكترونيات الأسرع والأكثر كفاءة. ولحل هذه المشكلة، لجأ العلماء إلى تصميم يسمى "ترانزستور تأثير المجال ذو النطاق المحيط بالبوابة" (Gate-All-Around Nanosheet Field-Effect Transistor). في هذا الهيكل، يتم تغليف القناة التي تتدفق من خلالها الكهرباء بالكامل بواسطة البوابة، مما يوفر تحكماً فائقاً. ومع ذلك، حتى مع هذا الشكل المتقدم، هناك أجزاء أخرى من الجهاز تؤثر على الأداء، وتحديداً "الفواصل" (spacers). هذه عبارة عن طبقات عازلة توضع بالقرب من نهايتي المصدر والمصب في الترانزستور. وبينما تبدو وكأنها مجرد حشوات بسيطة، إلا أن خصائص موادها تملي مقدار السعة الكهربائية غير المرغوب فيها التي تتراكم، والتي بدورها تحد من سرعة تشغيل المفتاح ومدى جودة تضخيمه للإشارات.

في دراسة حديثة، سعى الباحثان لاكشمانا تشاندانا وسوبا راو سودابالي من المعهد الهندي لتصميم وتصنيع معلومات تكنولوجيا المعلومات في كورنول، إلى تحسين هذه الفواصل لاستخراج أفضل أداء ممكن من ترانستورات النطاق النانوي هذه. لم يكونوا يبنون رقائق فيزيائية في مختبر، بل استخدموا محاكاة حاسوبية قوية لنمذجة سلوك الجهاز. كان هدفهم هو معرفة ما إذا كان تغيير مادة الفاصل يمكن أن يحسن قدرة الترانزستور على التعامل مع الإشارات التماثلية والترددات اللاسلكية، وهي أمور بالغة الأهمية لكل شيء بدءاً من اتصالات الهواتف الذكية وصولاً إلى معالجة البيانات عالية السرعة. بدأوا باختبار طبقة واحدة من مادة الفاصل، وقارنوا بين ثلاثة خيارات شائعة: ثاني أكسيد السيليكون، ونتريد السيليكون، وأكسيد الهافنيوم. ووجدوا أن اختيار المادة يخلق مقايضة متميزة. ففاصل ثاني أكسيد السيليكون، الذي يتميز بقدرة منخفضة على تخزين الشحنة الكهربائية، أدى إلى أسرع سرعات التبديل، حيث وصل إلى تردد 540.19 جيجاهرتز. ومع ذلك، فإن فاصل نتريد السيليكون، الذي يقع في منتصف الطيف، قدم أفضل توازن لتضخيم الإشارات، حيث وفر كسب جهد أعلى. أما فاصل أكسيد الهافنيوم، ورغم كونه جيداً للتحكم في تدفق التيار، فقد خلق تداخلاً كهربائياً كبيراً لدرجة تجعله غير مفيد للتطبيقات عالية السرعة.

انتقل الباحثون بعد ذلك من مرحلة الطبقة الواحدة إلى اختبار فكرة أكثر تعقيداً: استخدام مادتين مختلفتين متراصتين معاً. افترضوا أنه يمكنهم الحصول على أفضل ما في العالمين من خلال وضع مادة ذات تخزين شحنة منخفض في الخارج لتقليل التداخل، ومادة ذات تخزين شحنة متوسط في الداخل للحفاظ على تحكم قوي في القناة الكهربائية. قاموا بمحاكاة تركيبات متنوعة، لكن ترتيباً واحداً محدداً برز كفائز واضح. فمن خلال وضع طبقة من ثاني أكسيد السيليكون في الخارج وطبقة من نتريد السيليكون في الداخل، أنشأوا هيكلاً هجيناً تفوق على أي خيار أحادي المادة. سمح هذا التصميم ثنائي الطبقة للترانزستور بالتبديل عند تردد 580.96 جيجاهرتز، وهي قفزة كبيرة عن أفضل نتيجة لطبقة واحدة. والأهم من ذلك، أنه حسن بشكل كبير قدرة الجهاز على تضخيم الإشارات. فقد زاد "حاصل الكسب-التردد" (gain-frequency product)، وهو مقياس لمدى جودة قدرة الجهاز على تعزيز الإشارة أثناء العمل بسرعات عالية، بنسبة تقارب 30 بالمائة مقارنة بفاصل ثاني أكسيد السيليكون القياسي.

ينبع نجاح نهج الطبقة المزدوجة هذا من كيفية عمل المادتين معاً. تعمل طبقة ثاني أكسيد السيليكن الخارجية كدرع، مما يقلل من السعة الطفيلية التي تبطئ الجهاز. وفي الوقت نفسه، تضمن طبقة نتريد السيليكون الداخلية احتفاظ البوابة بقبضة قوية على القناة الكهربائية، مما يمنع فقدان الإشارة ويعزز قدرة التضخيم. أظهرت عمليات المحاكاة أن هذا المزيج المحدد من المواد قد حسن مقاييس الأداء الإجمالية في كافة الجوانب. فقد ارتفع "حاصل التوصيل المستحث-التردد" (transconductance-frequency product)، الذي يتعلق بكيفية تحويل الجهاز لجهد الإدخال إلى تيار الإخراج بكفاءة عند السرعات العالية، إلى 6,720 جيجاهرتز لكل فولت. ووصل "حاصل الكسب-التوصيل المستحث-التردد" (gain-transconductance-frequency product)، وهو مقياس شامل للأداء التماثلي، إلى 164,000 جيجاهرتز لكل فولت. وتشير هذه الأرقام إلى أن الجهاز ليس أسرع فحسب، بل هو أيضاً أكثر كفاءة وقوة في قدرته على معالجة الإشارات المعقدة.

بينما تؤكد الدراسة أن هندسة الفواصل ثنائية الطبقة هي استراتيجية فعالة للغاية لتحسين ترانزستورات النطاق النانوي، فمن المهم ملاحظة أن هذه النتائج مستمدة من نماذج حاسوبية. استخدم الباحثون أداة برمجية متطورة للتنبؤ بكيفية سلوك الجهاز، وتم فحص عمليات المحاكاة الخاصة بهم بعناة مقابل البيانات التجريبية الموجودة لضمان الدقة. تشير النتائج إلى أنه من خلال إعادة ترتيب المواد العازلة حول الترانزستور ببساطة، يمكن للمهندسين التغلب على قيود استخدام مادة واحدة. ويقدم هذا النهج مساراً واضحاً للمضي قدماً في تصميم الجيل القادم من المكونات الإلكترونية، حيث تكون السرعة ووضوح الإشارة أمراً بالغ الأهمية. يوضح هذا العمل أنه حتى في عالم المكونات المتناقصة الحجم، يمكن للاختيار الدقيق وترتيب المواد أن يؤدي إلى تحسينات جوهرية، مما يدفع حدود ما يمكن أن تحققه هذه المفاتيح المجهرية.