Fast-Switching Monolayer MoSiGeN4 Transistors: Device Performance at Sub-5 nm High-Performance Nodes
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि प्रथम-सिद्धांत सिमुलेशन (first-principles simulations) के माध्यम से मूल्यांकित डबल-गेटेड मोनोलेयर जेनस MoSiGeN4 ट्रांजिस्टर, विशेष रूप से सोर्स/ड्रेन अंडरलैप के साथ अनुकूलित होने पर, सब-5-nm गेट लंबाई पर उच्च-प्रदर्शन और ऊर्जा-कुशल संचालन प्राप्त करते हैं जो 2028 के इंटरनेशनल टेक्नोलॉजी रोडमैप फॉर सेमीकंडक्टर्स के लक्ष्यों से काफी अधिक है।
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कंप्यूटरों को तेज़ और अधिक कुशल बनाने की निरंतर दौड़ लंबे समय से उनके भीतर के छोटे स्विचों पर टिकी रही है, जिन्हें ट्रांजिस्टर कहा जाता है। दशकों से, इंजीनियरों ने इन स्विचों को छोटा करके एक ही चिप पर अधिक संख्या में सफलतापूर्वक समाहित किया है, एक ऐसा रुझान जिसने डिजिटल क्रांति को शक्ति दी है। हालाँकि, जैसे-जैसे ये स्विच कुछ नैनोमीटर—एक मीटर के अरबवें हिस्से—के आकार के करीब पहुँच रहे हैं, उन्हें बनाने के लिए उपयोग की जाने वाली मानक सामग्रियाँ, मुख्य रूप से सिलिकॉन, विफल होने लगती हैं। इस सूक्ष्म स्तर पर, सिलिकॉन विद्युत आवेश को बनाए रखने के लिए संघर्ष करता है, जिससे लीकेज और नियंत्रण की कमी होती है जो स्विचों को पूरी तरह से चालू या बंद होने से रोकती है। प्रगति को जीवित रखने के लिए, वैज्ञानिक सिलिकॉन से परे उन सामग्रियों के एक नए वर्ग की ओर देख रहे हैं जो केवल परमाणुओं की एक एकल परत जितनी मोटी हैं। ये द्वि-आयामी (two-dimensional) सामग्रियाँ बिजली पर कड़ा नियंत्रण बनाए रखने का एक तरीका प्रदान करती हैं, भले ही स्विच अविश्वसनीय रूप से छोटे हो जाएं, जिससे संभावित रूप से अगली पीढ़ी के इलेक्ट्रॉनिक्स को बिना किसी अंत के सिकुड़ने की प्रक्रिया जारी रखने में मदद मिल सकती है।
सिलिकॉन के उत्तराधिकारी की इस खोज में, बांग्लादेश यूनिवर्सिटी ऑफ इंजीनियरिंग एंड टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं ने एक नई अनुमानित सामग्री की ओर अपना ध्यान आकर्षित किया जिसे मोनोलेयर MoSiGeN4 कहा जाता है। यह पदार्थ उन क्रिस्टल के परिवार से संबंधित है जो केवल एक परमाणु की मोटाई के होते हैं, लेकिन एक विशेष मोड़ के साथ: परमाणु एक असममित पैटर्न में व्यवस्थित हैं, जिसमें ऊपर और नीचे की परतों पर अलग-अलग प्रकार के परमाणु होते हैं। यह संरचनात्मक असंतुलन एक आंतरिक विद्युत क्षेत्र बनाता है जो इस सामग्री को अपने सममित (symmetrical) समकक्षों की तुलना में इलेक्ट्रॉनों के प्रवाह को अधिक प्रभावी ढंग से नियंत्रित करने में मदद करता है। शोधकर्ताओं ने यह परीक्षण करने के लिए प्रयास किया कि क्या यह विशिष्ट सामग्री निकट भविष्य में अपेक्षित अत्यंत-लघु गेट लंबाई वाले ट्रांजिस्टर में चैनल—वह पथ जिसके माध्यम से बिजली प्रवाहित होती है—के रूप में कार्य कर सकती है। क्वांटम यांत्रिकी के मौलिक नियमों पर आधारित शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करते हुए, उन्होंने एक डबल-गेटेड ट्रांजिस्टर का मॉडल बनाया, जहाँ करंट का प्रवाह सामग्री के ऊपर और नीचे दोनों तरफ धातु के गेटों द्वारा नियंत्रित किया जाता है, और यह परीक्षण किया कि जब उन्होंने गेट की लंबाई को घटाकर केवल दो नैनोमीटर कर दिया तो इसका प्रदर्शन कैसा रहा।
टीम ने पाया कि यह सामग्री तब असाधारण रूप से अच्छा व्यवहार करती है जब गेट की लंबाई चार नैनोमीटर या उससे अधिक होती है, जो उच्च-गति वाले उपकरणों के लिए सेमीकंडक्टर उद्योग द्वारा निर्धारित सख्त प्रदर्शन लक्ष्यों को पूरा करती है। इन सिमुलेशन में, ट्रांजिस्टर बहुत कम ऊर्जा की खपत करते हुए तेजी से चालू और बंद हो सकता था, जो वर्ष 2028 के लिए आवश्यक आवश्यकताओं से बेहतर प्रदर्शन करता है। हालाँकि, जब उन्होंने बिना किसी संशोधन के गेट की लंबाई को तीन या दो नैनोमीटर तक कम किया, तो डिवाइस संघर्ष करने लगा। इलेक्ट्रॉन स्विच के माध्यम से लीक होने लगे, भले ही इसे बंद होना चाहिए था, यह एक समस्या है जिसे शॉर्ट-चैनल प्रभाव (short-channel effects) कहा जाता है, जिसके कारण प्रदर्शन आवश्यक मानकों से नीचे गिर गया। इसे हल करने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक छोटा डिज़ाइन फीचर पेश किया जिसे 'अंडरलैप' (underlap) कहा जाता है, जो गेट और सोर्स या ड्रेन संपर्कों के बीच एक मामूली अंतर है। यह अतिरिक्त स्थान एक बफर की तरह कार्य करता है, जिससे गेट को चैनल पर अधिक नियंत्रण मिलता है और इलेक्ट्रॉनों को तब टनलिंग करने से रोकता है जब उन्हें नहीं करना चाहिए।
इस अंडरलैप संरचना के साथ, सिमुलेशन ने प्रदर्शन में नाटकीय सुधार दिखाया। ट्रांजिस्टर केवल दो नैनोमीटर की गेट लंबाई पर भी उद्योग के उच्च-प्रदर्शन लक्ष्यों को फिर से पूरा करने में सक्षम था। वास्तव में, डिवाइस ने न केवल लक्ष्यों को पूरा किया बल्कि उनसे बेहतर प्रदर्शन किया, एक ऐसा करंट प्रदान किया जो आवश्यक से काफी अधिक था, जबकि चालू और बंद अवस्थाओं के बीच स्विच करने की एक तीव्र क्षमता बनाए रखी। शायद सबसे प्रभावशाली बात डिवाइस की गति और ऊर्जा दक्षता थी। सिमुलेशन ने संकेत दिया कि ट्रांजिस्टर को स्विच करने में लगने वाला समय अविश्वसनीय रूप से तेज़ था, जिसे पिकोसेकंड के अंशों में मापा गया था, और प्रत्येक स्विच के लिए उपयोग की जाने वाली ऊर्जा वर्तमान में भविष्य की तकनीक के लिए अनुमानित सीमा से बहुत कम थी। सामग्री की अनूठी विषमता, जो उस सहायक आंतरिक विद्युत क्षेत्र को बनाती है, वह प्रमुख कारक प्रतीत हुई जिसने इतनी चरम सीमाओं पर इलेक्ट्रॉनों पर इतना कड़ा नियंत्रण बनाए रखने की अनुमति दी।
इस अध्ययन ने इस नई सामग्री को अन्य आशाजनक द्वि-आयामी उम्मीदवारों, जैसे कि मोलिब्डेनम डाइसल्फाइड और विभिन्न अन्य स्तरित यौगिकों के साथ आमने-सामने रखा। इन तुलनाओं में, MoSiGeN4 ट्रांजिस्टर लगातार शीर्ष पर रहा, जिसने समान गेट लंबाई पर अन्य परीक्षण की गई सामग्रियों की तुलना में उच्च करंट, कम ऊर्जा उपयोग और तेज़ स्विचिंग गति का बेहतर संतुलन दिखाया। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि हालांकि ये परिणाम वर्तमान में कंप्यूटर मॉडल पर आधारित हैं और अभी तक प्रयोगशाला में निर्मित नहीं किए गए हैं, फिर भी सैद्धांतिक प्रदर्शन इतना मजबूत है कि यह गंभीर प्रयोगात्मक जांच की मांग करता है। यदि ये सिमुलेशन वास्तविक दुनिया में सही साबित होते हैं, तो मोनोलेयर MoSiGeN4 अगली पीढ़ी के अल्ट्रा-फास्ट, ऊर्जा-कुशल इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए एक आधार स्तंभ बन सकता है, जिससे उपकरण वर्तमान सिलिकॉन तकनीक की सीमाओं से कहीं आगे तक सिकुड़ने में सक्षम होंगे। निष्कर्ष बताते हैं कि इस जेनस-स्ट्रक्चर्ड (Janus-structured) सामग्री के अद्वितीय गुणों का लाभ उठाकर, इंजीनियरों ने तकनीकी प्रगति की गति को आगे बढ़ाने के लिए एक व्यवहार्य मार्ग खोज लिया है।
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