محققان دانشگاه MIT : کشف یک نیمه‌هادی که عملکردی بهتر از سیلیکون دارد

سیلیکون یکی از فراوان‌ترین عناصر روی زمین است و در خالص‌ترین شکل خود، این ماده نیمه‌هادی زیربنای بیشتر فناوری‌های امروزی، از جمله تراشه‌های کامپیوتری میکروالکترونیکی و سلول‌های خورشیدی را تشکیل داده است. با این حال، ویژگی‌های سیلیکون به‌عنوان یک نیمه‌رسانا، فاصله زیادی تا ایده‌آل بودن دارد. ظهور تراشه سیلیکونی نیمه‌هادی، انقلابی در دنیای الکترونیک به‌وجود آورد. مدارهای مجتمع سیلیکونی ((Integrated Circuit) یا به زبان ساده، آی‌سی‌ها، پایه‌ تمام تجهیزات دیجیتالی پیرامون ما را شکل می‌دهند، سیستم‌های ما را کنترل می‌کنند و امکان دسترسی و اشتراک‌گذاری اطلاعات در یک چشم‌بر‌هم زدن را به‌وجود می‌آورند. 

ترانزیستورهای سیلیکونی از پیدایش نخستین نمونه در سال 1947 میلادی تا به امروزه پیشرفت‌های مستمری داشته‌اند و طی این سال‌ها مجموع تعداد ترانزیستورهای روی یک تراشه‌ مدار مجتمع ابتدایی از چند هزار عدد به بیشتر از دو میلیارد عدد رسیده است. براساس قانون مور که بعد از گذشت 50 سال هنوز اعتبار دارد، تراکم ترانزیستورها در هر دو سال دو برابر می‌شود. 

با این وجود، ترانزیستورهای سیلیکونی با چالش بزرگی روبه‌رو هستند. آخرین مدار مجتمع تولیدشده معماری 5 نانومتری است که ابعاد بسیار کوچکی دارد که فشردگی بیش‌ازاندازه گرمای زیادی را تولید می‌کند. همچنین، اندازه‌ اتم‌های سیلیکونی منفرد (حدود 0.2 نانومتر) در مدارهای مجتمع با عرضی به‌اندازه یک اتم، محدودیت فیزیکی دشواری پدید آورده‌اند. همین مسئله باعث شده تا ثبات و عملکرد آن‌ها در مرز ناپایداری قرار بگیرد و کنترل آن سخت شود. تاکنون تلاش‌های بسیاری در این زمینه انجام شده، اما برخی پژوهشگران بر این باور هستند که وقت آن رسیده تا سیلیکون با ماده دیگری جایگزین شود. 

در شرایطی که سیلیکون به الکترون‌ها اجازه می‌دهد از درون ساختارش بدون مشکل عبور کنند، اما در مورد هدایت حفره‌ها (نقطه مقابل الکترون‌ها که بارهای الکتریکی مثبت دارند) عملکرد چندان درخشانی ندارد (w). تمام خواص رسانایی مفید نیمه‌هادی‌ها تنها در تحرک الکترون‌ها خلاصه نمی‌شود و جنبش آن‌چه حفره‌های الکترونی (Electron Hole)  نام دارد بر خاصیت رسانایی و سرعت انتقال اطلاعات تاثیرگذار است. به بیان دقیق‌تر، حفره الکترونی شکاف‌های باقی‌مانده در شبکه الکترون‌هایی است که پس‌ از حرکت الکترون‌ها، آن‌ها نیز جابه‌جا می‌شوند و به دور هسته می‌چرخند و رسانایی را افزایش می‌دهند. بنابراین، سیلیکون در مواردی که نیازمند انتقال الکترون‌ها و حفره‌ها هستیم، عملکرد ضعیفی دارد. علاوه بر این، سیلیکون انتقال حرارت خوبی ندارد و این امر باعث بروز مشکلاتی مثل داغ شدن بیش‌از‌حد پردازنده‌ها و استفاده از سیستم‌های خنک‌کننده گران‌قیمت برای انتقال حرارت سیلیکون می‌شود. 

این مسئله باعث شده تا پژوهشگران دانشگاه MIT، دانشگاه هیوستون و برخی موسسات تحقیقاتی در قالب یک کار گروهی مشترک به‌دنبال شناسایی گزینه جایگزینی برای سیلیکون باشند. پژوهش‌های انجام‌شده توسط این گروه تحقیقاتی نشان داد که ماده آرسنیدبور مکعبی قادر است هر دو مشکل سیلیکون را حل کند. به بیان دقیق‌تر، علاوه بر بالا بردن قابلیت تحرک الکترون‌ها و حفره‌ها، ضریب انتقال حرارت بالایی دارد و در مقایسه با بیشتر نیمه رساناهای جهان عملکرد بهتری دارد. 

آرسنید‌بور مکعبی تاکنون تنها در اندازه‌های کوچک ناهمگن آزمایشگاهی ساخته و آزمایش شده است. در واقع، برای آزمایش بخش‌های کوچکی از ساختار این ماده، دانشمندان مجبور شدند از روش‌های ویژه‌ای استفاده کنند که پیش‌تر توسط محقق پسا‌دکترا دانشگاه MIT بای سونگ، توسعه داده شده بود. برای آن‌که مشخص شود آیا آرسنیدبور مکعبی می‌تواند به‌شکل کاربردی و اقتصادی ساخته و جایگزین سیلیکون شود، تحقیقات بیشتری لازم است. با این حال، محققان می‌گویند این ماده به‌دلیل ویژگی‌های منحصربه‌فردی که دارد قادر است در آینده نزدیک به‌شکل گسترده مورد استفاده قرار گیرد. 

نتایج این تحقیقات به‌شکل مشروح در مجله ساینس منتشر شده است. نویسندگان این مقاله جونگ‌وو شین، محقق پسا‌دکترا دانشگاه MIT و گانگ چن، استاد مهندسی مکانیک، ژیفنگ رن از دانشگاه هیوستون و 14 محقق دیگر از دانشگاه MIT، دانشگاه هیوستون، دانشگاه تگزاس در آستین و کالج بوستون هستند. 

تحقیقات قبلی، به‌لحاظ تئوری ضریب انتقال حرارت آرسنیدبور مکعبی را بالا پیش‌بینی کرده بود. تحقیقات بعدی که به‌طور تجربی بر روی این ماده انجام شد، این پیش‌بینی را تایید کرد. یافته اخیر تیم تحقیقاتی چن، به‌طور کامل خواص منحصربه‌فرد آرسنید‌بور مکعبی را تایید کرده است. به‌گفته چن، این ماده قابلیت بسیار بالایی در انتقال الکترون‌ها و حفره‌ها دارد که همین مسئله باعث شده تا به ماده منحصربه‌فردی تبدیل شود. آزمایش‌های قبلی نشان داد که رسانایی حرارتی آرسنیدبور مکعبی تقریبا 10 برابر بیشتر از سیلیکون است که آن‌را به گزینه مناسبی برای دفع حرارت تبدیل کرده است. همچنین، این ماده دارای شکاف باند (گاف فرکانسی) بسیار خوبی است، خاصیتی که ظرفیت بالایی به‌عنوان یک نیمه‌‌هادی در اختیار این ماده قرار می‌دهد و ارزش آن را چند برابر می‌کند. 

آرسنیدبور به‌دلیل قابلیت بالایی که در انتقال الکترون‌ها و حفره‌ها دارد، تمام ویژگی‌های اصلی مورد نیاز برای یک نیمه‌‌‌هادی ایده‌آل را دارد. به‌گفته چن، این موضوع اهمیت زیادی دارد، زیرا در نیمه‌هادی‌ها هر دو بار مثبت و منفی به یک اندازه وجود دارند. بنابراین، در ساخت دستگاه‌ها، باید یک ماده نیمه‌‌هادی داشته باشید که در آن الکترون‌ها و حفره‌ها با مقاومت کمتر منتقل می‌شوند.

در سیلیکون، قابلیت حرکت و انتقال الکترون‌ها به‌خوبی انجام می‌شود، اما عملکرد این ماده در انتقال حفره‌ها ضعیف است. همچنین، مواد دیگری همچون آرسنید گالیم که به‌طور گسترده در لیزرها استفاده می‌شود، الکترون‌ها را به‌خوبی انتقال می‌دهد، اما در مورد حفره‌ها عملکرد کاملا ضعیفی دارد. 

یکی از مزایای مهم افزایش ترانزیستورها روی یک تراشه، دستیابی به سرعت بیشتر پردازش داده‌ها در مدار مجتمع است، اما، این افزایش سرعت با میزان توانایی جابه‌جایی و رانش الکترون‌ها درون ماده‌ نیمه‌هادی ارتباط مستقیمی دارد که به آن تحریک‌پذیری الکترون‌ها (Electron Mobility) می‌گویند. در شرایطی که الکترون‌ها در سیلیکون کاملا متحرک هستند، اما در قیاس با سایر ماده‌های نیمه‌هادی مثل گالیم آرسنید، ایندیوم آرسنید و ایندیم آنتیمونید تحرک کمتری دارند. به‌بیان دیگر، مهم‌ترین مشکلی که اکنون سیلیکون با آن روبه‌رو است، ظرفیت کم تحریک‌پذیری الکترون‌ها است. آی‌سی‌های مدرن با وجود میلیاردها ترانزیستور گرمای قابل توجهی تولید می‌کنند که تلاش زیادی برای خنک‌سازی آن‌ها از طریق به‌کارگیری فن‌ها و سینک‌های حرارتی انجام شده است. درمقابل، نیمه‌رساناهایی مثل گالیوم نیترید (GaN) و سیلیکون کاربید یا سیلیسیم کاربید (SiC) در دماهای بالا عملکرد بهتری دارند و می‌توانند با سرعت بیشتری به فعالیت خود ادامه دهند. بنابراین، در مواردی مثل تقویت‌کننده‌های الکترونیکی که پرمصرف هستند، جایگزین سیلیکون شده‌اند تا عملکرد دستگاه‌ها کاهش پیدا نکند. 

گرما نقطه ضعف بزرگ بیشتر لوازم الکترونیکی است. همین مسئله باعث شده تا شرکت‌های فعال در صنعت الکترونیک و شرکت‌های بزرگ دنیای فناوری مثل تسلا در خودروهای برقی از سیلیکون کاربید (SiC) به‌جای سیلیکون استفاده کنند، زیرا با وجود این‌که انتقال الکترون کاربید سیلیکون ضعیف‌تر از سیلیکون است، اما رسانایی حرارتی آن سه برابر بیشتر از سیلیکون است. حال، تصور کنید که آرسنیدبور با ضریب انتقال حرارتی 10 برابر بیشتر و قابلیت بالاتر انتقال الکترون نسبت به سیلیکون، چه نتایج فوق‌العاده‌ای می‌تواند داشته باشد، به‌طوری که صنعت نیمه‌‌هادی‌ها را متحول می‌کند. 

مشکل اساسی دیگر سیلیکون، ضعف آن در انتقال نور است. درحالی‌که امروزه لیزرها، ال‌ای‌دی‌ها و دیگر دستگاه‌های فوتونیک پیچیدگی خاصی ندارند، اما از ترکیبات نیمه‌هادی جایگزین سیلیکون استفاده می‌کنند. این مسئله باعث ایجاد شکاف در صنعت الکترونیک شده است، به‌طوری که گروهی از تولیدکنندگان از سیلیکون در ساختار تجهیزات الکترونیکی و گروهی دیگر از ترکیبات نیمه‌هادی در ساختار فوتونیک استفاده می‌کنند. این وضعیت برای سال‌ها ادامه داشت، اما در چند سال اخیر شرکت‌ها به‌دنبال ترکیب الکترونیک و فوتونیک روی یک تراشه هستند، اما در این‌کار چندان موفق نبوده‌اند. 

شین بر این باور است که سیستم‌های لیزری فوق سریع و پیشرفته گریتینگ دانشگاه MIT که اولین بار توسط سانگ توسعه یافت، عامل اصلی کشف او بوده است. او می‌گوید: «بدون وجود این فناوری، امکان تعیین و نشان دادن قابلیت انتقال بالای الکترون‌ها و حفره‌ها در این ماده ممکن نبود».

خواص الکترونیکی آرسنیدبور مکعبی، ابتدا از طریق محاسبات تابعی چگالی مکانیکی کوانتومی توسط گروه چن در دانشگاه MIT انجام شده بود. با این‌وجود، یافته‌های تئوری از طریق به‌کارگیری روش‌های تشخیص نوری در دانشگاه MIT توسط رن و اعضای تیمی در دانشگاه هیوستون به‌شکل آزمایشگاهی به تایید رسیدند. آرسنیدبور مکعبی، نه‌تنها بالاترین ضریب انتقال حرارت را در بین نیمه‌هادی‌ها دارد، بلکه دانشمندان می‌گویند که این ماده در کنار الماس و نیترید بور مکعبی غنی‌شده به‌صورت ایزوتوپی، سومین ماده در جهان است که میزان رسانش حرارتی آن عالی است. چن می‌گوید: «ما رفتار مکانیکی کوانتومی الکترون‌ها و حفره‌ها را بر اساس اصول اولیه پیش‌بینی کردیم و درستی آن نیز ثابت شده است. این نکته بسیار قابل توجه است، زیرا به غیر از گرافن، هیچ ماده دیگری را نمی‌شناسیم که همه این خواص را داشته باشد» .

اکنون چالش اصلی، یافتن راه‌های عملی تولید این ماده به‌شکل انبوه در مقیاس تجاری است. روش‌های فعلی منجر به ساخت مواد بسیار ناهمگن می‌شوند، بنابراین تیم آزمایش‌کننده باید راه‌هایی برای آزمایش ذرات کوچک این ساختار پیدا کند که به اندازه کافی یکنواخت و قابل اعتماد باشند. چن می‌گوید: «در شرایطی که می‌دانیم این ماده ظرفیت فوق‌العاده‌ای دارد، اما به‌درستی از این نکته مطلع نیستیم که آیا امکان استفاده از آن در کاربردهای تجاری و صنعت الکترونیک به‌جای سیلیکون وجود دارد یا خیر. سیلیکون یک ماده بسیار بادوام و کاربردی در صنعت نیمه‌هادی‌ها است. با این‌حال، ما موادی داریم که از هر نظر بهتر هستند، اما هنوز به درستی نمی‌دانیم آیا واقعا می‌توانند نواقص سیلیکون را برطرف کنند یا خیر». 

در حالی که به‌نظر می‌رسد این ماده یک نیمه‌‌هادی تقریبا ایده‌آل است، اما این‌که واقعا می‌تواند جایگزین برخی مواد در بازار فعلی شود یا خیر، موضوعی است که هنوز پاسخ دقیقی برای آن وجود ندارد. با وجود این‌که این ماده دارای خواص حرارتی و الکتریکی فوق‌العاده‌ای است، اما خواص دیگری همچون پایداری طولانی‌مدت نیز وجود دارند که باید مورد آزمایش قرار بگیرند.

 اکنون که خواص مطلوب آرسنیدبور به‌اثبات رسیده، به‌نظر می‌رسد این ماده از بسیاری جهات جایگزین مناسبی برای نیمه‌‌‌هادی‌ها است و به‌همین دلیل ممکن است به‌لحاظ کاربردهای تجاری مورد توجه قرار گیرد. چالش بزرگ پیش‌ روی دیگر، تولید آرسنیدبور مکعبی با خلوصی برابر با سیلیکون است. چندین دهه طول کشید تا سیلیکون در بهترین حالت با خلوص بیش از 99.99999999 درصد (10 تا 9) به‌شکل امروزی تولید و در مقیاس تجاری مورد استفاده قرار گیرد. برای آن‌که این ماده یک ماده کاربردی در بازار باشد باید تحقیقات بیشتری انجام شود و بودجه مناسبی برای این منظور اختصاص پیدا کند.