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

इन शोधकर्ताओं के कार्य को समझने के लिए, सबसे पहले व्यक्ति को उन नन्हे स्विचों की कल्पना करनी होगी जो हमारी आधुनिक दुनिया को शक्ति प्रदान करते हैं। ये ट्रांजिस्टर हैं, जो कंप्यूटर चिप्स के मौलिक निर्माण खंड हैं। दशकों से, इंजीनियरों ने कम स्थान में अधिक शक्ति भरने के लिए इन्हें छोटा और छोटा बनाया है। हालाँकि, जैसे-जैसे ये स्विच कुछ परमाणुओं के आकार तक सिकुड़ते हैं, ये अप्रत्याशित व्यवहार करने लगते हैं। विद्युत संकेत, जिन्हें डिवाइस के माध्यम से सुचारू रूप से बहना चाहिए, बाहर रिसने लगते हैं, और बिजली के प्रवाह पर मुख्य गेट का नियंत्रण कमजोर हो जाता है। यह एक समस्या है जिसे 'शॉर्ट-चैनल इफेक्ट्स' (short-channel effects) के रूप में जाना जाता है, और यह तेज़, अधिक कुशल इलेक्ट्रॉनिक्स की प्रगति को रोकने की धमकी देता है। इसे हल करने के लिए, वैज्ञानिकों ने 'गेट-ऑल-अराउंड नैनोशीट फील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर' (Gate-All-Around Nanosheet Field-Effect Transistor) नामक डिज़ाइन की ओर रुख किया है। इस संरचना में, जिस चैनल से बिजली बहती है, उसे गेट द्वारा पूरी तरह से घेरा जाता है, जो बेहतर नियंत्रण प्रदान करता है। फिर भी, इस उन्नत आकार के साथ भी, डिवाइस के अन्य हिस्से प्रदर्शन को प्रभावित करते हैं, विशेष रूप से 'स्पेसर्स' (spaciers)। ये ट्रांजिस्टर के सोर्स और ड्रेन सिरों के पास रखे गए इन्सुलेटिंग परतें हैं। हालांकि वे साधारण फिलर की तरह दिखते हैं, लेकिन उनके भौतिक गुण यह निर्धारित करते हैं कि कितना अवांछित विद्युत कैपेसिटेंस (capacitance) बनता है, जो बदले में इस बात को सीमित करता है कि स्विच कितनी तेज़ी से संचालित हो सकता है और सिग्नल को कितनी अच्छी तरह से एम्प्लीफाई (amplify) कर सकता है।

हाल ही में एक अध्ययन में, इंडियन इंस्टीट्यूट ऑफ इंफॉर्मेशन टेक्नोलॉजी डिजाइन एंड मैन्युफैक्चरिंग, कुरनूल के शोधकर्ता लक्ष्मणा चंडना और सुब्बा राव सुद्दपल्ली ने इन नैनोशीट ट्रांजिस्टरों से सर्वोत्तम संभव प्रदर्शन प्राप्त करने के लिए इन स्पेसर्स को अनुकूलित करने का प्रयास किया। वे प्रयोगशाला में भौतिक चिप्स नहीं बना रहे थे, बल्कि डिवाइस के व्यवहार को मॉडल करने के लिए शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग कर रहे थे। उनका लक्ष्य यह देखना था कि क्या स्पेशर की सामग्री को बदलकर ट्रांजिस्टर की एनालॉग संकेतों और रेडियो फ्रीक्वेंसी को संभालने की क्षमता में सुधार किया जा सकता है, जो स्मार्टफोन संचार से लेकर हाई-स्पीड डेटा प्रोसेसिंग तक सब कुछ के लिए महत्वपूर्ण है। उन्होंने तीन सामान्य विकल्पों की तुलना करते हुए, स्पेशर सामग्री की एक एकल परत का परीक्षण करके शुरुआत की: सिलिकॉन डाइऑक्साइड, सिलिकॉन नाइट्राइड और हाफ्नियम ऑक्साइड। उन्होंने पाया कि सामग्री का चुनाव एक स्पष्ट समझौता (trade-off) पैदा करता है। सिलिकॉन डाइऑक्साइड स्पेशर, जिसमें विद्युत आवेश संग्रहीत करने की क्षमता कम होती है, ने सबसे तेज़ स्विचिंग गति प्रदान की, जो 540.19 गीगाहर्ट्ज़ की आवृत्ति तक पहुँच गई। हालाँकि, सिलिकॉन नाइट्राइड स्पेशर, जो स्पेक्ट्रम के मध्य में स्थित है, सिग्नल को एम्प्लीफाई करने के लिए सबसे अच्छा संतुलन प्रदान करता है, जिससे उच्च वोल्टेज गेन (voltage gain) प्राप्त होता है। हाफ्नियम ऑक्साइड स्पेशर, जो करंट के प्रवाह को नियंत्रित करने के लिए अच्छा है, उच्च गति वाले अनुप्रयोगों के लिए बहुत अधिक विद्युत हस्तक्षेप पैदा करता है जिससे यह उपयोगी नहीं रह जाता।

शोधकर्ताओं ने फिर एकल परतों से आगे बढ़कर एक अधिक जटिल विचार का परीक्षण किया: दो अलग-अलग सामग्रियों को एक साथ स्टैक (stack) करना। उनका अनुमान था कि वे हस्तक्षेप को कम करने के लिए बाहर एक कम-चार्ज-स्टोरेज वाली सामग्री रखकर और विद्युत चैनल पर मजबूत नियंत्रण बनाए रखने के लिए अंदर एक मध्यम-चार्ज-स्टोरेज वाली सामग्री रखकर दोनों दुनियाओं का सर्वश्रेष्ठ प्राप्त कर सकते हैं। उन्होंने विभिन्न संयोजनों का सिमुलेशन किया, लेकिन एक विशिष्ट व्यवस्था स्पष्ट विजेता के रूप में उभरी। बाहर सिलिकॉन डाइऑक्साइड की एक परत और अंदर सिलिकॉन नाइट्राइड की एक परत रखकर, उन्होंने एक हाइब्रिड संरचना बनाई जो किसी भी एकल-सामग्री वाले विकल्प से बेहतर प्रदर्शन करती है। इस दोहरी-परत वाली डिज़ाइन ने ट्रांजिस्टर को 580.96 गीगाहर्ट्ज़ की आवृत्ति पर स्विच करने की अनुमति दी, जो कि सर्वोत्तम एकल-परत परिणाम से एक महत्वपूर्ण उछाल है। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि इसने डिवाइस की सिग्नल को एम्प्लीफाई करने की क्षमता में नाटकीय रूप से सुधार किया। 'गेन-फ्रीक्वेंसी प्रोडक्ट' (gain-frequency product), जो एक माप है कि डिवाइस उच्च गति पर काम करते समय सिग्नल को कितनी अच्छी तरह से बूस्ट कर सकता है, मानक सिलिकॉन डाइऑक्साइड स्पेशर की तुलना में लगभग 30 प्रतिशत बढ़ गया।

इस दोहरी-परत दृष्टिकोण की सफलता इस बात से आती है कि दोनों सामग्रियां एक साथ कैसे काम करती हैं। बाहरी सिलिकॉन डाइऑक्साइड परत एक ढाल के रूप में कार्य करती है, जो उस 'पैरासिटिक कैपेसिटेंस' (parasitic capacitance) को कम करती है जो डिवाइस को धीमा कर देता है। इस बीच, आंतरिक सिलिकॉन नाइट्राइड परत यह सुनिश्चित करती है कि गेट विद्युत चैनल पर मज़बूत पकड़ बनाए रखे, जिससे सिग्नल के नुकसान को रोका जा सके और एम्प्लीफिकेशन क्षमता को बढ़ावा मिले। सिमुलेशन ने दिखाया कि इस विशिष्ट संयोजन ने समग्र प्रदर्शन मेट्रिक्स में व्यापक सुधार किया। 'ट्रांसकंडक्टेंस-फ्रीक्वेंसी प्रोडक्ट' (transconductance-frequency product), जो इस बात से संबंधित है कि डिवाइस उच्च गति पर इनपुट वोल्टेज को आउटपुट करंट में कितनी कुशलता से परिवर्तित करता है, बढ़कर 6,720 गीगाहर्ट्ज़ प्रति वोल्ट हो गया। 'गेन-ट्रांसकंडक्टेंस-फ्रीक्वेंसी प्रोडक्ट', जो एनालॉग प्रदर्शन का एक व्यापक माप है, 164,000 गीगाहर्ट्ज़ प्रति वोल्ट तक पहुँच गया। ये संख्याएँ दर्शाती हैं कि डिवाइस न केवल तेज़ है, बल्कि जटिल संकेतों को प्रोसेस करने की अपनी क्षमता में अधिक कुशल और शक्तिशाली भी है।

जबकि यह अध्ययन पुष्टि करता है कि यह दोहरी-परत स्पेशर इंजीनियरिंग नैनोशीट ट्रांजिस्टरों में सुधार के लिए एक अत्यधिक प्रभावी रणनीति है, यह ध्यान देना महत्वपूर्ण है कि ये परिणाम कंप्यूटर मॉडल से आए हैं। शोधकर्ताओं ने यह भविष्यवाणी करने के लिए कि डिवाइस कैसे व्यवहार करेगा, एक परिष्कृत सॉफ़्टवेयर टूल का उपयोग किया, और उनके सिमुलेशन को सटीकता सुनिश्चित करने के लिए मौजूदा प्रयोगात्मक डेटा के विरुद्ध सावधानीपूर्वक जांचा गया था। निष्कर्ष बताते हैं कि केवल ट्रांजिस्टर के चारों ओर इन्सुलेटिंग सामग्रियों को पुनर्व्यवस्थित करके, इंजीनियर एकल सामग्री के उपयोग की सीमाओं को पार कर सकते हैं। यह दृष्टिकोण अगली पीढ़ी के इलेक्ट्रॉनिक घटकों को डिजाइन करने के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है, जहाँ गति और सिग्नल की स्पष्टता सर्वोपरि है। यह कार्य प्रदर्शित करता है कि घटकों के सिकुड़ने की दुनिया में भी, सामग्रियों का सावधानीपूर्वक चयन और व्यवस्था पर्याप्त सुधार ला सकती है, जो इन सूक्ष्म स्विचों की उपलब्धियों की सीमाओं को आगे बढ़ाती है।