تم إنشاء أول شريحة CMOS هجينة متعددة الطبقات في العالم

CMOS (أشباه الموصلات لأكسيد المعدن التكميلي) هي التكنولوجيا الأكثر شيوعًا في مجال الإلكترونيات الدقيقة اليوم. تُستخدم هذه الرقائق في جميع الأجهزة الإلكترونية تقريبًا، بدءًا من الهواتف وأجهزة التلفاز وحتى الأقمار الصناعية والأجهزة الطبية، وتحتوي دائمًا على نفس مادة أشباه الموصلات – السيليكون. يعد تصغير المكونات الإلكترونية أمرًا بالغ الأهمية لتطوير الإلكترونيات المرنة والتقنيات الطبية الذكية وإنترنت الأشياء، لكن أساليب التصميم الحالية قريبة من حدودها المادية.

تتمتع رقائق CMOS الهجينة بأنواع مختلفة من أشباه الموصلات بإمكانات أكبر بكثير، لكنها حتى الآن لم تُصنع من أكثر من طبقتين. تمكنت جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية (KAUST) من الإنتاج شريحة CMOS الهجينة المكونة من ستة طبقات، كما ورد في إلكترونيات الطبيعة. يعد هذا إنجازًا قياسيًا حتى الآن، ويمكن أن يصبح في المستقبل معيارًا جديدًا لكثافة التغليف وكفاءته، مما يفتح الفرص لمزيد من التصغير وزيادة إنتاجية الإلكترونيات.

يقول شياوهان لي، رئيس مختبر أشباه الموصلات المتقدم في جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية، والذي قاد البحث: “تاريخيًا، ركزت صناعة أشباه الموصلات على جعل الترانزستورات أصغر حجمًا لزيادة كثافة التغليف. ولكننا الآن نقترب من الحد الميكانيكي الكمي، وترتفع تكلفة العمليات بشكل كبير. ويتطلب التقدم المستمر تجاوز القياس المستوي، حيث أصبح الترتيب الرأسي للترانزستورات طبقة تلو الأخرى حلاً واعدًا”.

غالبًا ما تتضمن رقائق التصنيع تسخينًا يصل إلى مئات الدرجات، مما قد يؤدي إلى تلف الطبقات الأساسية للرقاقة عند إضافة المزيد منها. وفي العملية التي تم تطويرها في جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية، لا تتجاوز درجة الحرارة في أي مرحلة من مراحل الإنتاج 150 درجة مئوية، ويتم تنفيذ معظم الخطوات في درجة حرارة الغرفة تقريبًا.

وقد أدى ذلك إلى نتائج عكسية على المنتج النهائي: حيث تم ضمان التشغيل المستقر للرقاقة في درجات حرارة محيطة تصل إلى 50 درجة مئوية. لذلك، ليست هناك حاجة الآن للحديث عن التطبيق العملي للمنتج الجديد (باستثناء ربما في مكان ما في القطب الشمالي)، لكن المهندسين يواصلون العمل على تحسين التكنولوجيا.

إنهم يعتبرون أن تناظر الترانزستورات التكميلية هو أعظم إنجازاتهم. على الرغم من أنها مصنوعة من مواد مختلفة (النوع n – أكسيد الإنديوم In₂O₃، والنوع p – أشباه الموصلات العضوية C16iDT-BT)، تمكنت من تحقيق معايير قابلة للمقارنة – حركة الناقل وتيار التشبع، وهو أمر بالغ الأهمية لمنطق CMOS الفعال.

“من خلال تحسين خطوات التصنيع المتعددة، نحن نقدم مخططًا جاهزًا للقياس الرأسي وزيادة الكثافة الوظيفية بما يتجاوز القيود الحالية بكثير”، كما اختتم سارافانان يوفاراجا، زميل ما بعد الدكتوراه، والمؤلف الأول للورقة البحثية.