החומרים עבור הטרנזיסטורים של העתיד

חוקרים בפקולטה להנדסת חשמל ומחשבים ע”ש ויטרבי השיגו שליטה על חומר חדשני העשוי להחליף בעתיד את הסיליקון בעולם האלקטרוניקה. פיתוח זה נחשב חיוני נוכח בלימת מגמת המזעור בעולמות הטרנזיסטורים והשבבים. המחקר התפרסם לאחרונה במגזין המדעי Advanced Functional Materials.

מימין לשמאל: פרופ’ ליאור קורנבלום, לישי שהם וד”ר מריה בסקין

שבבים מניעים את העולם שבו אנחנו חיים – הם האחראים לעיבודן של כמויות מידע עצומות, לאחסונן ולהעברתן. מפיתוח תרופות חדשות ותכנון מנועי חלליות ועד השרתים שמניעים את האינטרנט – הכול מבוסס על שבבים.

השיפור המתמיד ביכולותיהם של אותם שבבים מבוסס על מזעור מתמיד של יחידות החישוב הבסיסיות – טרנזיסטורים. אלה הם מתגים זעירים ששולטים במעבר הזרם החשמלי, בדומה לברז ששולט על זרם מים. באמצעות המתגים האלה מסוגל המעבד לבצע את משימותיו: עיבוד, אחסון (זיכרון) והעברת מידע.

כבר באמצע שנות ה-60 קבע גורדון מוּר, מייסד אינטל, שקצב מזעור הטרנזיסטורים יוביל לכך שמספר הטרנזיסטורים על כל יחידת שטח נתונה יוכפל כל שנה וחצי או שנתיים. תחזית זו, שהתבססה על העבר (התפתחות הטרנזיסטורים עד 1965), הכתיבה את קצב המזעור במשך עשרות שנים, וכיום מיוצרים שבבים שבכל אחד מהם מיליארדי טרנזיסטורים.

בשנת 2007 הפתיע מור עצמו כשאמר כי לא לעולם חוסן וכי “חוק מור” יגיע לקיצו תוך שנים לא רבות. מור עצמו הלך לעולמו השנה, כשרבים בעולם הטכנולוגיה מעריכים כי גם החוק על שמו מתקרב לסוף דרכו.

מימין לשמאל: לישי שהם, פרופ’ ליאור קורנבלום וד”ר מריה בסקין במעבדה

פרופ’ ליאור קורנבלום, חבר סגל בפקולטה להנדסת חשמל ומחשבים ע”ש ויטרבי, מסביר כי “בעקבות המזעור המתמיד מיוצרים כיום טרנזיסטורים בגודל של עשרות בודדות של אטומים. בממדים אלו קשה יותר ויותר להמשיך במזעור בלי לפגוע בביצועיהם של הטרנזיסטורים ושל השבבים המכילים אותם. בסדרי גודל ננוממטריים מתנהגים הטרנזיסטורים בדרכים חדשות, שונות מאבותיהם הגדולים יותר, ובכך פוגעים בפעילותו התקינה של המעבד.”

אחת הדוגמאות לשיבושים כאלה היא דליפה של זרם חשמלי כאשר הטרנזיסטור (המתג) אמור להיות כבוי. לדברי פרופ’ קורנבלום, “אפשר להמשיל זאת לברז דולף. דליפה כזו בטרנזיסטור לא רק פוגעת בביצועים אלא גם מובילה לבזבוז חשמל. אם ניקח לדוגמה טלפון מודרני שמכיל מיליארדי טרנזיסטורים, דליפות זעירות אלה יצטברו לאובדן אנרגיה משמעותי, והתוצאה היא בזבוז אנרגיה (התרוקנות מהירה של הסוללה) והתחממות משמעותית של המכשיר. אם נעבור לסדרי גודל של חוות שרתים, המשמעויות הן צריכת אנרגיה עצומה ושחרור חום רב לאטמוספרה.”

אז איך מתמודדים עם האתגר? אחד הכיוונים המבטיחים הוא חיפוש חומרים חלופיים לסיליקון, החומר שממנו עשויים טרנזיסטורים כיום. בקבוצת המחקר של פרופ’ קורנבלום בוחנים תחמוצות שונות, שאחת מהן בעלת תכונה ייחודית – היא יכולה לשנות את תכונותיה ממוליך חשמלי למבודד ולהיפך. את התכונה הזאת מבקשים חוקרי הטכניון לרתום בעתיד לייצור טרנזיסטורים שייסגרו וייפתחו במהירות.

מימין לשמאל: פרופ’ ליאור קורנבלום, לישי שהם וד”ר מריה בסקין במרכז שרה ומשה זיסאפל לננואלקטרוניקה

איך עושים זאת? באמצעות שליטה מדויקת בחומר ובמבנהו האטומי. חוקרי הטכניון השיגו שליטה בתכונות החשמליות של החומר באמצעות שליטה מדויקת במרחק בין האטומים שלו. מנהלת המעבדה ד”ר מריה בסקין עושה זאת באמצעות מערכת ייחודית לגידול תחמוצות; היא “מניחה” את האטומים שכבה על גבי שכבה וכך היא מגדלת את החומר במעבדה. בזכות תהליך הגידול העדין והמבוקר היא שולטת במרחקים בין האטומים בשכבה בדיוק של פיקומטר, או אלפית הננומטר. לצורך השוואה, המרחק בין שני אטומים בסיליקון הוא כרבע ננומטר – 250 פיקומטר.

מערכת הגידול הייחודית הוקמה בטכניון בהשקעה רבה ותשמש לפיתוח הדורות הבאים של מוליכים למחצה, חומרים מגנטיים וחומרים לאנרגיה מתחדשת כגון זרזים (קטליסטים) מתקדמים להמרת אנרגיה. “בכל בוקר אני מגיעה למעבדה ומתניעה את המערכת הזאת,” אומרת ד”ר בסקין. “אנחנו יכולים לבחור מגוון של סוגי אטומים ולשלוט בסידור שלהם ובמרחקים ביניהם, וכך ליצור חומרים שעדיין לא היו קיימים קודם, עם מגוון רחב של תכונות לפי הצורך.”

“הכלים שפיתחנו לגידול חומרים הם ייחודיים ברמה עולמית,” אומר פרופ’ ליאור קורנבלום ראש מעבדת אלקטרוניקה של תחמוצות במרכז שרה ומשה זיסאפל לננואלקטרוניקה. “גידול התחמוצות הוא רק השלב הראשון, וממנו מתחילים הסטודנטים לתארים גבוהים לבצע את המחקר. חלקם מתמקדים בתכונות הפיזיקליות של החומרים כדי להבין כיצד הם עובדים וחלקם רותמים את החומרים הייחודיים האלה כדי להכין מהם התקנים שיחוללו מהפכות במיקרואלקטרוניקה, באנרגיה מתחדשת ועוד.”

לב המעבדה – מערכת “דבורה”

הדוקטורנטית לישי שהם עוסקת במחקרה בשני התחומים יחד. היא חוקרת את התכונות של החומר ומייצרת ממנו טרנזיסטור כדי לבחון כיצד אפשר לרתום אותו לצורכי המיקרואלקטרוניקה. במחקר הנוכחי הובילה שהם צוות שכלל עוד 12 חוקרות וחוקרים משמונה מוסדות מחקר וחברות הממוקמים בשוויץ, יפן, צרפת וארה”ב. הצוות בראשותה הראה שעל ידי מתיחה של החומר ברמה האטומית אפשר להאריך את הקשרים הכימיים שלו; על ידי מתיחה של פחות מ-2% באורך הקשר הכימי הצליחו החוקרים “להרגיע” את הנטייה של האלקטרונים לדלג מאטום לאטום. על ידי שינויים זעירים אלה, המתרחשים בטווח של אלפית הננומטר, מפתחים החוקרים דרכים חדשות לשליטה במעבר בין המצב המוליך למבודד בחומר זה. לדברי שהם, “זה מדהים לראות שלשינויים כל כך קטנים במבנה האטומי של החומר יש השפעה כל כך גדולה על התכונות של החומר. לקחנו את החומר הזה למאיץ חלקיקים בשווייץ וראינו איך השינויים הזעירים האלה משפיעים על הסידור של האלקטרונים בחומר והאופן שבו הם מתנהגים. אלה בדיוק הכלים שאנחנו צריכים לפתח כדי ליצור את הטרנזיסטורים העתידיים. יש המון אתגרים בדרך לשם, ובאמצעות השליטה על סידור האלקטרונים בחומר אנחנו מפתחים את היכולות שיקחו אותנו לשלב הבא. כיום אני מיישמת את תוצאות המחקר על חומרים דומים אחרים, ומהם אני מפתחת טרנזיסטור מסוג חדש.”

לדברי פרופ’ קורנבלום, “יש לנו זכות גדולה לפתח את היכולות האלה כאן בישראל, לעבוד עם סטודנטים מבריקים ולשתף פעולה עם מדענים מובילים בעולם שתרמו למחקר הזה. אנחנו קוצרים את הפירות של התשתית המדעית המעולה שהטכניון מפתח ומשכלל בהתמדה, ושל הסטודנטים המצוינים שלנו.”

תמונה מדעית – המבנה האטומי של החומר סטרונציום וונדייט (strontium vanadate) – המחשה של המבנה האטומי של החומר תחת מאמצי מתיחה (ימין) ולחיצה (שמאל). במרכז ניתן לראות את הסידור האטומי האמיתי בחומר בתמונת מיקרוסקופ אלקטרונים. בתחתית התמונה ניתן לראות כיצד המאמצים השונים משנים את מבנה רמות האנרגיה בחומר ולכן גם את האופן בו האלקטרונים מסתדרים בו. באמצעות שליטה בתכונות האלה מתכוונים החוקרים להנדס את החומרים הללו לכדי טרנזיסטורים עתידיים

המחקר נערך במרכז שרה ומשה זיסאפל לננואלקטרוניקה במימון של הקרן הלאומית למדע, והוא נתמך על ידי מכון ראסל ברי לננוטכנולוגיה ותוכנית האנרגיה ע”ש ננסי וסטיבן גרנד.

למאמר ב- Advanced Functional Materials לחצו כאן