छोटे इलेक्ट्रॉनिक स्विचों की दिशा में 0.7 नैनोमीटर का कदम
दक्षिण कोरियाई शोधकर्ताओं ने चुनिंदा परमाणुओं की जगह दूसरे परमाणु रखकर एक ही पतली परत के भीतर ट्रांजिस्टर के मुख्य घटक बनाए हैं। इससे कमरे के तापमान पर पारंपरिक ट्रांजिस्टर की सैद्धांतिक सीमा के करीब तक करंट को नियंत्रित किया जा सका। यह तकनीक करीब 0.7 नैनोमीटर मोटी परतों में काम करती है और बेहद छोटे इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों का निर्माण सरल कर सकती है।
विषय-सूची
- छोटे इलेक्ट्रॉनिक स्विचों की दिशा में 0.7 नैनोमीटर का कदम
- इन पदार्थों को जोड़ना मुश्किल क्यों है
- तीन तरह के बदले हुए परमाणु, तीन अलग-अलग काम
- दल ने परत और स्थान कैसे चुना
- जहां करंट प्रवेश करता है, वहां कम ऊर्जा-अवरोध
- कमरे के तापमान की सीमा के करीब स्विचिंग
- गेट को पास से नियंत्रण देने वाला विद्युतरोधन
- 1 वोल्ट पर काम करने वाला स्टैक्ड सर्किट
- प्रकाशन और बड़े वेफरों की ओर अगला कदम
- मुख्य बातें
इंस्टीट्यूट फॉर बेसिक साइंस के सेंटर फॉर वैन डर वाल्स क्वांटम सॉलिड्स के निदेशक और पोहांग यूनिवर्सिटी ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी के विशिष्ट प्रोफेसर चो मून-हो के नेतृत्व में दल ने टंगस्टन डिसेलेनाइड से शुरुआत की। इसके सेलेनियम परमाणुओं की जगह ऑक्सीजन, सल्फर या टेल्यूरियम रखकर शोधकर्ताओं ने ऐसे क्षेत्र बनाए जो विद्युतरोधक का काम करते हैं, करंट प्रवाहित करते हैं या करंट को अर्धचालक में प्रवेश करने में मदद देते हैं।
बने हुए ट्रांजिस्टर में करंट को दस गुना बढ़ाने के लिए गेट वोल्टेज में 61.3 मिलीवोल्ट का बदलाव करना पड़ा। कमरे के तापमान पर इसकी तुलना लगभग 60 मिलीवोल्ट की सैद्धांतिक न्यूनतम सीमा से की जा सकती है। चालू अवस्था में इसका करंट, बंद अवस्था के करंट से 10 लाख गुना से भी अधिक था।
शोधकर्ताओं ने एक छोटा सर्किट भी बनाया, जिसमें एक के ऊपर एक रखे ट्रांजिस्टरों ने 1 वोल्ट पर विद्युत संकेत को उलट दिया। इन नतीजों से अलग-अलग पदार्थ-परतों पर सटीक नियंत्रण को काम करने वाले सर्किट से जोड़ा गया है। अब इसे अर्धचालक विनिर्माण के स्तर तक ले जाना अगला बड़ा काम है।
इन पदार्थों को जोड़ना मुश्किल क्यों है
ट्रांजिस्टर एक ऐसा स्विच है जिसे बिजली से नियंत्रित किया जाता है। इसमें करंट के प्रवाह के लिए अर्धचालक चैनल, उस चैनल को नियंत्रित करने वाले गेट के लिए एक विद्युतरोधी परत और उपकरण को बाकी सर्किट से जोड़ने वाले इलेक्ट्रोड चाहिए। हर हिस्से का काम अलग है, इसलिए उनके बीच की सीमाओं को सही ढंग से बनाना अहम है।
द्वि-आयामी कहे जाने वाले अर्धचालक केवल कुछ परमाणु परतें मोटे होने पर भी उपयोगी रहते हैं। हालांकि, उनकी सतहें अन्य पदार्थों के साथ आसानी से रासायनिक बंध नहीं बनातीं। इसलिए उन पर एक समान विद्युतरोधी परत चढ़ाना मुश्किल होता है। धातु के इलेक्ट्रोड सीधे जोड़ने से संपर्क सतह को नुकसान पहुंच सकता है या विद्युत प्रतिरोध पैदा हो सकता है, जो करंट को सीमित करता है।
अलग-अलग तैयार की गई परतों को उनकी जगह पर रखकर एक के ऊपर एक जमाना एक दूसरा तरीका है, लेकिन इससे विनिर्माण के चरण बढ़ जाते हैं। इसके बजाय कोरियाई दल ने शुरुआती परत के भीतर ही कई जरूरी पदार्थ बनाए, जिससे अलग-अलग परतों को जोड़ने की जरूरत कम हुई।
तीन तरह के बदले हुए परमाणु, तीन अलग-अलग काम
टंगस्टन डिसेलेनाइड, जिसे WSe2 लिखा जाता है, में टंगस्टन परमाणुओं की एक परत के ऊपर और नीचे सेलेनियम परमाणु होते हैं। शोधकर्ताओं ने टंगस्टन को बनाए रखते हुए चुनिंदा सेलेनियम परमाणुओं की जगह दूसरे परमाणु रखे। आसपास के परमाणुओं में बदलाव से हर उपचारित क्षेत्र का विद्युत व्यवहार बदल गया।
ऑक्सीजन से टंगस्टन ऑक्साइड बना, जो विद्युतरोधक है। सल्फर से टंगस्टन डाइसल्फाइड बना, जो n-प्रकार का अर्धचालक है। टेल्यूरियम से टंगस्टन डाइटेल्यूराइड बना, जो एक चालक अर्धधातु है और धातु के इलेक्ट्रोड तथा अर्धचालक के बीच संपर्क में इस्तेमाल हुआ।
- अपरिवर्तित टंगस्टन डिसेलेनाइड ने p-प्रकार के अर्धचालक क्षेत्र का काम किया।
- टंगस्टन ऑक्साइड ने गेट नियंत्रण के लिए विद्युतरोधन दिया।
- टंगस्टन डाइसल्फाइड ने पूरक उपकरणों के लिए n-प्रकार का अर्धचालक उपलब्ध कराया।
- टंगस्टन डाइटेल्यूराइड ने इलेक्ट्रोड और अर्धचालक के बीच आवेश के प्रवाह में मदद की।
p-प्रकार और n-प्रकार के शब्द बताते हैं कि अर्धचालक में विद्युत आवेश किस तरह प्रवाहित होता है। n-प्रकार के पदार्थ में इलेक्ट्रॉन करंट ले जाते हैं। p-प्रकार के पदार्थ में करंट का वर्णन होल के प्रवाह से किया जाता है। होल वे धनावेशित रिक्त स्थान हैं, जहां से इलेक्ट्रॉन गायब होते हैं। दल के बनाए पूरक सर्किट के लिए दोनों प्रकार जरूरी हैं।
दल ने परत और स्थान कैसे चुना
तापमान और अभिक्रिया करने वाली गैस के दबाव से शोधकर्ता नियंत्रित कर सके कि रासायनिक बदलाव परत में कितनी गहराई तक पहुंचे। उन्होंने पदार्थ की परतों के बीच मौजूद छोटे अंतरालों को अवरोध की तरह इस्तेमाल किया। इनसे अभिक्रिया करने वाले परमाणुओं की गति सीमित हुई और बदलाव को अगली परत तक फैलने से रोकने में मदद मिली।
हर नियंत्रित चरण करीब 0.7 नैनोमीटर मोटी एक परमाणु-परत के बराबर था। एक नैनोमीटर, एक मीटर का एक अरबवां हिस्सा होता है। यह आंकड़ा उस पदार्थ-परत की मोटाई बताता है जिसमें बदलाव किया गया; निर्माण विधि में सतह पर बदलाव के स्थान को नियंत्रित करना भी जरूरी था।
अर्धचालक निर्माण में इस्तेमाल होने वाले मास्क ने इस दूसरे तरह का नियंत्रण दिया। सटीक पैटर्न वाले आवरण की तरह मास्क कुछ चुने हुए क्षेत्रों को खुला रखता है और बाकी को ढकता है। मास्क को अभिक्रिया की गहराई के नियंत्रण के साथ जोड़कर शोधकर्ता एक ही परत में चुने हुए स्थानों और स्तरों पर अलग-अलग पदार्थ बना सके।
जहां करंट प्रवेश करता है, वहां कम ऊर्जा-अवरोध
टंगस्टन डाइटेल्यूराइड का संपर्क क्षेत्र ट्रांजिस्टर के स्विच होने से अलग एक समस्या का समाधान करता है: आवेश को अर्धचालक में कुशलता से पहुंचाना। गेट के प्रति अच्छी प्रतिक्रिया देने वाला चैनल भी खराब प्रदर्शन कर सकता है, अगर उसके विद्युत संपर्क आवेश के प्रवाह को मुश्किल बना दें।
शोधकर्ताओं ने इलेक्ट्रोड और अर्धचालक के बीच संपर्क पर 35.5 मिलीइलेक्ट्रॉन-वोल्ट का ऊर्जा-अवरोध मापा। उनके अनुसार, यह सीधे जुड़े धातु के इलेक्ट्रोड वाले अवरोध का लगभग एक-तिहाई था। ऊर्जा-अवरोध वह रुकावट है जिसे आवेश वाहकों को दो पदार्थों के बीच जाते समय पार करना पड़ता है।
तुलना के तौर पर, अवरोध का एक-तिहाई रह जाना लगभग 67 प्रतिशत की कमी है। यह मापा गया सुधार संपर्क पर आवेश के स्थानांतरण से जुड़ा है। पूरे सर्किट की बिजली खपत उसके परिचालन वोल्टेज, लीकेज करंट और स्विचिंग गतिविधि पर भी निर्भर करती है।
कमरे के तापमान की सीमा के करीब स्विचिंग
ट्रांजिस्टर का 61.3 मिलीवोल्ट का माप बताता है कि गेट वोल्टेज बदलने पर वह कितनी तेजी से स्विच करता है। इंजीनियर इसे सबथ्रेशोल्ड स्विंग कहते हैं: उपकरण के चालक अवस्था की ओर बढ़ने के दौरान करंट को दस गुना बदलने के लिए गेट वोल्टेज में जितना बदलाव चाहिए।
कम मान का मतलब है कि वोल्टेज में छोटे बदलाव से करंट में बड़ा परिवर्तन होता है। पारंपरिक ट्रांजिस्टर के संचालन के लिए कमरे के तापमान पर लगभग 60 मिलीवोल्ट की अनुमानित सीमा से तुलना करें, तो मापा गया मान उससे केवल 1.3 मिलीवोल्ट अधिक, यानी करीब 2.2 प्रतिशत ऊपर था।
चालू और बंद अवस्थाओं के करंट का अनुपात 1 करोड़ से 1 से अधिक था। इससे पता चलता है कि उपकरण अपनी चालक और गैर-चालक अवस्थाओं को कितनी प्रभावी ढंग से अलग करता है। बंद अवस्था में कम करंट अहम है, क्योंकि निष्क्रिय ट्रांजिस्टरों से रिसने वाली बिजली ऊर्जा बर्बाद करती है।
संपर्क अवरोध, स्विचिंग प्रतिक्रिया और करंट अनुपात, उपकरण के प्रदर्शन के तीन संबंधित पहलुओं को बताते हैं। संपर्क आवेश को अंदर लाने में मदद करता है, गेट उसके प्रवाह को नियंत्रित करता है और चालू तथा बंद अवस्था के करंट का अंतर दिखाता है कि ट्रांजिस्टर स्विच का काम कितनी प्रभावी तरह करता है।
गेट को पास से नियंत्रण देने वाला विद्युतरोधन
टंगस्टन ऑक्साइड ने विद्युतरोधी परत का काम किया। इस परत को गेट और चैनल के बीच विद्युत अलगाव बनाए रखते हुए गेट के विद्युत क्षेत्र से करंट नियंत्रित होने देना चाहिए। शुरुआती पदार्थ के एक हिस्से को बदलकर इसे बनाना, द्वि-आयामी अर्धचालक पर एक समान परत चढ़ाने की कठिनाई का समाधान है।
दल के अनुसार, उनका विद्युतरोधन इंटरनेशनल रोडमैप फॉर डिवाइसेज़ एंड सिस्टम्स के 1 नैनोमीटर या उससे कम की समतुल्य ऑक्साइड मोटाई के लक्ष्य पर खरा उतरता है। समतुल्य ऑक्साइड मोटाई, जिसे आम तौर पर EOT कहा जाता है, किसी विद्युतरोधक के विद्युत प्रदर्शन को सिलिकॉन डाइऑक्साइड की उस संदर्भ-परत की मोटाई के रूप में दर्शाती है जिसकी धारिता समान हो।
इसलिए EOT केवल पदार्थ की भौतिक मोटाई नहीं, बल्कि उसके विद्युत व्यवहार को बताती है। शोधकर्ताओं के हवाले से EOT को 1 नैनोमीटर से कम बताया गया; प्रकाशित संख्यात्मक विवरणों में 0.3 से 0.4 नैनोमीटर और लगभग 1 नैनोमीटर भी शामिल थे। उन विवरणों में सटीक मान स्पष्ट नहीं है, लेकिन सभी के मुताबिक विद्युतरोधन रोडमैप के बताए लक्ष्य पर या उसके भीतर है।
1 वोल्ट पर काम करने वाला स्टैक्ड सर्किट
शोधकर्ताओं ने एक ट्रांजिस्टर का परीक्षण करने से आगे बढ़ते हुए p-प्रकार और n-प्रकार के ट्रांजिस्टरों को एक के ऊपर एक रखकर पूरक इन्वर्टर बनाया। इन्वर्टर एक बुनियादी डिजिटल सर्किट है: ऊंचा इनपुट कम आउटपुट देता है और कम इनपुट ऊंचा आउटपुट देता है।
यह सर्किट 1 वोल्ट के परिचालन वोल्टेज पर संकेतों को उलटता था। इसे बनाने के लिए अलग-अलग तरह के अर्धचालकों का साथ काम करना जरूरी था। इस तरह पदार्थ बदलने की विधि को डिजिटल इलेक्ट्रॉनिक्स में इस्तेमाल होने वाले एक बुनियादी कार्य से जोड़ा गया।
ऊर्ध्वाधर निर्माण दल की त्रि-आयामी एकीकृत सर्किट की योजनाओं से भी जुड़ता है। उपकरणों को एक-दूसरे के ऊपर रखने से समान सतह क्षेत्र में अधिक सर्किट लगाने का रास्ता मिलता है, बशर्ते पूरे ढेर में पदार्थों और निर्माण प्रक्रिया को नियंत्रित किया जा सके।
चो, जो IBS केंद्र के निदेशक और POSTECH के विशिष्ट प्रोफेसर हैं, ने पदार्थ तकनीक और उपकरण निर्माण के बीच संबंध को इस तरह बताया:
यह अध्ययन परमाणु स्तर पर पदार्थ में बदलाव की मूलभूत पदार्थ-विज्ञान तकनीक को आधुनिक अर्धचालक प्रौद्योगिकी के साथ जोड़ता है,
प्रकाशन और बड़े वेफरों की ओर अगला कदम
शोध पत्र का शीर्षक है Modular van der Waals MOSFETs through layer-by-layer chalcogen substitutions। MOSFET, इंसुलेटेड गेट से नियंत्रित होने वाले ट्रांजिस्टरों के एक व्यापक रूप से इस्तेमाल किए जाने वाले समूह का नाम है। चैल्कोजेन उस रासायनिक परिवार को कहते हैं जिसमें ऑक्सीजन, सल्फर, सेलेनियम और टेल्यूरियम शामिल हैं। ये ही वे तत्व हैं जिनकी अदला-बदली इस शोध के केंद्र में थी।
घोषणा और प्रकाशन की तारीखें इस प्रकार बताई गईं:
- 15 अक्टूबर, 2026: बताया गया कि विज्ञान और ICT मंत्रालय ने मॉड्यूलर ट्रांजिस्टर शोध की घोषणा की।
- 16 अक्टूबर, 2026, कोरियाई मानक समयानुसार सुबह 3 बजे: मंत्रालय ने बताया कि साइंस पत्रिका में शोध इसी समय प्रकाशित हुआ। अन्य विवरणों में सार्वजनिक घोषणा की तारीख 16 अक्टूबर बताई गई।
अगला चरण इस विधि को दूसरे द्वि-आयामी अर्धचालकों पर लागू करना और वेफरों में इसका विस्तार करना है। वेफर बड़े आधार होते हैं जिन पर एक साथ कई अर्धचालक उपकरण बनाए जाते हैं। औद्योगिक इस्तेमाल के लिए इन सतहों पर परमाणुओं की अदला-बदली एक समान और दोहराने योग्य ढंग से करना जरूरी है। विनिर्माण में इसे लागू करने की कोई समय-सीमा नहीं बताई गई।
दल जिस व्यावहारिक बदलाव की कोशिश कर रहा है, वह स्पष्ट है: अलग-अलग परतों को बार-बार स्थानांतरित कर जोड़ने के बजाय उपयोगी पदार्थों को उसी जगह बनाना। बड़े पैमाने पर इससे असेंबली की जटिलता घट सकती है, जबकि प्रयोगात्मक उपकरणों में मापा गया गेट नियंत्रण और बेहतर संपर्क बना रह सकता है।
विज्ञान और ICT मंत्रालय के R&D नीति कार्यालय के निदेशक किम सोंग-सू ने कहा कि सरकार बुनियादी और आधारभूत शोध को समर्थन देती रहेगी, ताकि मौलिक तकनीकें दक्षिण कोरिया की औद्योगिक प्रतिस्पर्धा में योगदान दे सकें। शोधकर्ताओं का अगला काम बड़े प्रसंस्करण क्षेत्रों, अतिरिक्त पदार्थों और स्टैक्ड एकीकृत सर्किट पर केंद्रित होगा।
मुख्य बातें
- कोरियाई दल ने टंगस्टन डिसेलेनाइड में सेलेनियम परमाणुओं की चुनिंदा अदला-बदली करके ट्रांजिस्टर के अहम घटक बनाए।
- तापमान, गैस के दबाव और मास्क से करीब 0.7 नैनोमीटर मोटी परतों में और सतह के चुने हुए स्थानों पर बदलाव नियंत्रित किया गया।
- संपर्क का ऊर्जा-अवरोध घटकर 35.5 मिलीइलेक्ट्रॉन-वोल्ट रह गया, जो सीधे धातु संपर्क वाले मान का लगभग एक-तिहाई है।
- गेट वोल्टेज में 61.3 मिलीवोल्ट के बदलाव से करंट दस गुना बढ़ा, जो कमरे के तापमान पर लगभग 60 मिलीवोल्ट की सीमा के करीब है।
- चालू और बंद अवस्थाओं के करंट का अनुपात 1 करोड़ से 1 से अधिक था।
- एक के ऊपर एक रखे पूरक इन्वर्टर ने 1 वोल्ट पर संकेतों को उलट दिया।
- औद्योगिक उपयोग के लिए अर्धचालक वेफरों पर एक समान प्रसंस्करण अगली जरूरत है।
