অতি-পাতলা ফিল্মে পরমাণু বদলে ট্রানজিস্টরের উপাদান তৈরি করল কোরীয় দল

ছোট ইলেকট্রনিক সুইচের পথে ০.৭ ন্যানোমিটারের অগ্রগতি

দক্ষিণ কোরীয় গবেষকেরা একটি একক পাতলা ফিল্মের ভেতরে পরমাণু বেছে বদলে ট্রানজিস্টরের প্রধান উপাদান তৈরি করেছেন। এতে ঘরের তাপমাত্রায় প্রচলিত ট্রানজিস্টরের তাত্ত্বিক সীমার কাছাকাছি মাত্রায় কারেন্ট নিয়ন্ত্রণ করা গেছে। প্রায় ০.৭ ন্যানোমিটার পুরু স্তরে কাজ করে এই কৌশল, যা অত্যন্ত ছোট ইলেকট্রনিক যন্ত্র তৈরির প্রক্রিয়া সহজ করতে পারে।

ইনস্টিটিউট ফর বেসিক সায়েন্সের (আইবিএস) সেন্টার ফর ভ্যান ডার ওয়ালস কোয়ান্টাম সলিডসের পরিচালক এবং পোহাং ইউনিভার্সিটি অব সায়েন্স অ্যান্ড টেকনোলজির (পোস্টেক) বিশিষ্ট অধ্যাপক চো মুন-হোর নেতৃত্বে দলটি টাংস্টেন ডিসেলেনাইড দিয়ে কাজ শুরু করে। এর সেলেনিয়াম পরমাণু অক্সিজেন, সালফার বা টেলুরিয়াম দিয়ে বদলে গবেষকেরা এমন অঞ্চল তৈরি করেন, যেগুলো বিদ্যুৎ নিরোধ করে, কারেন্ট বহন করে অথবা কারেন্টকে অর্ধপরিবাহীতে প্রবেশে সহায়তা করে।

তৈরি ট্রানজিস্টরে কারেন্ট দশ গুণ বাড়াতে গেট ভোল্টেজ ৬১.৩ মিলিভোল্ট পরিবর্তন করতে হয়েছে। ঘরের তাপমাত্রায় তাত্ত্বিক সর্বনিম্ন মান প্রায় ৬০ মিলিভোল্ট। চালু অবস্থায় ট্রানজিস্টরের কারেন্ট বন্ধ অবস্থার তুলনায় ১ কোটিরও বেশি গুণ ছিল।

গবেষকেরা উল্লম্বভাবে স্তূপ করা ট্রানজিস্টর দিয়ে একটি ছোট সার্কিটও তৈরি করেন, যা ১ ভোল্টে বৈদ্যুতিক সংকেত উল্টে দেয়। ফলাফলগুলোতে পৃথক উপাদান-স্তরের নিখুঁত নিয়ন্ত্রণের সঙ্গে কার্যকর সার্কিটের সংযোগ দেখানো হয়েছে। তবে পরবর্তী বড় কাজ হলো এই পদ্ধতিকে অর্ধপরিবাহী উৎপাদনে সম্প্রসারিত করা।

এই উপাদানগুলো একত্র করা কঠিন কেন

ট্রানজিস্টর হলো বিদ্যুৎ দিয়ে নিয়ন্ত্রিত একটি সুইচ। এতে কারেন্ট চলাচলের জন্য একটি অর্ধপরিবাহী চ্যানেল, সেই চ্যানেল নিয়ন্ত্রণে গেটকে সহায়তা করা একটি নিরোধক স্তর এবং যন্ত্রটিকে সার্কিটের বাকি অংশের সঙ্গে যুক্ত করার ইলেকট্রোড প্রয়োজন। প্রতিটি অংশের কাজ আলাদা, তাই তাদের সংযোগস্থলগুলো ঠিকভাবে কাজ করানো জরুরি।

মাত্র কয়েকটি পারমাণবিক স্তর পুরু হলেও দ্বিমাত্রিক হিসেবে পরিচিত অর্ধপরিবাহীগুলো কার্যকর থাকে। তবে তাদের পৃষ্ঠ অন্য উপাদানের সঙ্গে সহজে রাসায়নিক বন্ধন তৈরি করে না। ফলে সমানভাবে নিরোধক ফিল্মের প্রলেপ দেওয়া কঠিন। সরাসরি ধাতব ইলেকট্রোড যুক্ত করলেও সংযোগস্থলের পৃষ্ঠ ক্ষতিগ্রস্ত হতে পারে অথবা এমন বৈদ্যুতিক রোধ তৈরি হতে পারে, যা কারেন্ট চলাচলে বাধা দেয়।

আলাদাভাবে প্রস্তুত ফিল্মগুলো সরিয়ে এনে স্তূপ করা আরেকটি উপায়, তবে এতে উৎপাদনের ধাপ বাড়ে। এর বদলে কোরীয় দলটি প্রাথমিক ফিল্মের ভেতরেই প্রয়োজনীয় কয়েকটি উপাদান তৈরি করেছে, ফলে আলাদা ফিল্ম একত্র করার প্রয়োজন কমেছে।

তিনটি প্রতিস্থাপক পরমাণু, তিনটি আলাদা কাজ

টাংস্টেন ডিসেলেনাইড, যার সংকেত WSe2, গঠিত হয় সেলেনিয়াম পরমাণুর ওপর ও নিচে টাংস্টেন পরমাণুর একটি স্তর দিয়ে। গবেষকেরা টাংস্টেন রেখে সেলেনিয়াম বেছে বেছে প্রতিস্থাপন করেন। চারপাশের পরমাণু বদলানোর ফলে প্রক্রিয়াকৃত প্রতিটি অঞ্চলের বৈদ্যুতিক আচরণও বদলে যায়।

অক্সিজেন থেকে তৈরি হয় টাংস্টেন অক্সাইড, যা নিরোধক। সালফার থেকে তৈরি হয় টাংস্টেন ডিসালফাইড, যা এন-টাইপ অর্ধপরিবাহী। টেলুরিয়াম থেকে তৈরি হয় টাংস্টেন ডাইটেলুরাইড, যা বিদ্যুৎ পরিবাহী অর্ধধাতু এবং ধাতব ইলেকট্রোড ও অর্ধপরিবাহীর সংযোগস্থলে ব্যবহৃত হয়।

• অপরিবর্তিত টাংস্টেন ডিসেলেনাইড পি-টাইপ অর্ধপরিবাহী অঞ্চল তৈরি করেছে।
• টাংস্টেন অক্সাইড গেট নিয়ন্ত্রণের জন্য বৈদ্যুতিক নিরোধক হিসেবে কাজ করেছে।
• টাংস্টেন ডিসালফাইড পরিপূরক যন্ত্রের জন্য এন-টাইপ অর্ধপরিবাহী সরবরাহ করেছে।
• টাংস্টেন ডাইটেলুরাইড ইলেকট্রোড ও অর্ধপরিবাহীর মধ্যে চার্জ চলাচলে সহায়তা করেছে।

পি-টাইপ ও এন-টাইপ শব্দ দুটি অর্ধপরিবাহীর ভেতর দিয়ে বৈদ্যুতিক চার্জ কীভাবে চলাচল করে, তা বোঝায়। এন-টাইপ উপাদানে ইলেকট্রন কারেন্ট বহন করে। পি-টাইপ উপাদানে ইলেকট্রনের অনুপস্থিতিতে তৈরি ধনাত্মক চার্জযুক্ত শূন্যস্থান বা ‘হোল’-এর চলাচলের মাধ্যমে কারেন্টকে ব্যাখ্যা করা হয়। দলটির প্রদর্শিত পরিপূরক সার্কিটের জন্য দুই ধরনের উপাদানই প্রয়োজন।

স্তর ও অবস্থান কীভাবে বেছে নেওয়া হয়েছে

তাপমাত্রা ও বিক্রিয়ক গ্যাসের চাপের সাহায্যে গবেষকেরা নিয়ন্ত্রণ করেছেন, রাসায়নিক পরিবর্তন ফিল্মের কত গভীরে পৌঁছাবে। উপাদানের স্তরগুলোর মধ্যকার ক্ষুদ্র ফাঁককে তারা বাধা হিসেবে ব্যবহার করেন। এতে বিক্রিয়াশীল পরমাণুর চলাচল সীমিত হয় এবং পরিবর্তনটি পরের স্তরে ছড়িয়ে পড়া ঠেকানো যায়।

নিয়ন্ত্রিত প্রতিটি ধাপ প্রায় ০.৭ ন্যানোমিটার পুরু একটি পারমাণবিক স্তরের সমান ছিল। এক ন্যানোমিটার হলো এক মিটারের একশ কোটি ভাগের এক ভাগ। এই পরিমাপটি রূপান্তরিত উপাদান-স্তরের পুরুত্ব বোঝায়; পাশাপাশি পৃষ্ঠের কোন কোন স্থানে রূপান্তর ঘটবে, সেটিও নিয়ন্ত্রণ করতে হয়েছে।

অর্ধপরিবাহী প্রক্রিয়াকরণের মাস্ক এই দ্বিতীয় ধরনের নিয়ন্ত্রণ দিয়েছে। নিখুঁত নকশায় তৈরি আবরণের মতো মাস্ক নির্দিষ্ট জায়গা উন্মুক্ত রাখে, অন্যগুলোকে সুরক্ষিত করে। মাস্কের সঙ্গে বিক্রিয়ার গভীরতা নিয়ন্ত্রণের সমন্বয়ে গবেষকেরা একটি ফিল্মের ভেতরে নির্দিষ্ট স্থান ও স্তরে ভিন্ন ভিন্ন উপাদান তৈরি করতে পেরেছেন।

কারেন্ট প্রবেশের স্থানে কম শক্তির বাধা

টাংস্টেন ডাইটেলুরাইডের সংযোগ অঞ্চলটি ট্রানজিস্টর সুইচ করার সমস্যা থেকে আলাদা আরেকটি সমস্যা সমাধানে সহায়তা করেছে: অর্ধপরিবাহীতে দক্ষতার সঙ্গে চার্জ প্রবেশ করানো। গেটের প্রতি ভালো সাড়া দেওয়া চ্যানেলও দুর্বলভাবে কাজ করতে পারে, যদি বৈদ্যুতিক সংযোগ চার্জ স্থানান্তর কঠিন করে তোলে।

ইলেকট্রোড ও অর্ধপরিবাহীর সংযোগস্থলে গবেষকেরা ৩৫.৫ মিলিইলেকট্রনভোল্ট শক্তির বাধা মেপেছেন। তাদের হিসাবে, সরাসরি যুক্ত ধাতব ইলেকট্রোডের ক্ষেত্রে এই বাধার প্রায় এক-তৃতীয়াংশ এটি। শক্তির বাধা হলো এক উপাদান থেকে অন্য উপাদানে যাওয়ার সময় চার্জবাহী কণাকে যে প্রতিবন্ধকতা অতিক্রম করতে হয়।

তুলনা করে বললে, বাধা এক-তৃতীয়াংশে নেমে আসা মানে তা প্রায় ৬৭ শতাংশ কমা। এই পরিমাপ করা উন্নতি সংযোগস্থলে চার্জ স্থানান্তরের সঙ্গে সম্পর্কিত। পুরো সার্কিটের বিদ্যুৎ খরচ নির্ভর করে এর কার্যকরী ভোল্টেজ, লিকেজ কারেন্ট এবং সুইচিং কার্যক্রমের ওপরও।

ঘরের তাপমাত্রায় সীমার কাছাকাছি সুইচিং

ট্রানজিস্টরের ৬১.৩ মিলিভোল্টের পরিমাপটি বোঝায়, গেট ভোল্টেজ বদলালে এটি কত দ্রুত সুইচ করে। প্রকৌশলীরা একে সাবথ্রেশহোল্ড সুইং বলেন: যন্ত্রটি বিদ্যুৎ পরিবাহী অবস্থার দিকে যাওয়ার সময় কারেন্ট দশ গুণ বদলাতে গেট ভোল্টেজ যতটা পরিবর্তন করতে হয়।

মান যত কম, তত কম ভোল্টেজ পরিবর্তনেই কারেন্টে বড় পরিবর্তন ঘটে। প্রচলিত ট্রানজিস্টরের কার্যক্রমে ঘরের তাপমাত্রায় আনুমানিক ৬০ মিলিভোল্টের সীমার তুলনায় মাপা মানটি মাত্র ১.৩ মিলিভোল্ট বেশি, অর্থাৎ ওই মানদণ্ডের প্রায় ২.২ শতাংশ বেশি।

চালু ও বন্ধ অবস্থার কারেন্টের অনুপাত ছিল ১ কোটির বেশি। এই অনুপাত যন্ত্রটি তার পরিবাহী ও অপরিবাহী অবস্থাকে কতটা স্পষ্টভাবে আলাদা করতে পারে, তা মাপে। বন্ধ অবস্থায় কারেন্ট কম থাকা গুরুত্বপূর্ণ, কারণ নিষ্ক্রিয় ট্রানজিস্টর দিয়ে বিদ্যুৎ লিক হলে শক্তির অপচয় হয়।

সংযোগস্থলের বাধা, সুইচিং প্রতিক্রিয়া ও কারেন্টের অনুপাত যন্ত্রটির কার্যকারিতার পরস্পরসম্পর্কিত তিনটি দিক তুলে ধরে। সংযোগস্থল চার্জ প্রবেশে সহায়তা করে, গেট তার চলাচল নিয়ন্ত্রণ করে এবং চালু ও বন্ধ অবস্থার কারেন্টের পার্থক্য দেখায় ট্রানজিস্টরটি সুইচ হিসেবে কতটা কার্যকর।

গেটের ঘনিষ্ঠ নিয়ন্ত্রণে সহায়ক নিরোধক

টাংস্টেন অক্সাইড অঞ্চলটি নিরোধক স্তর হিসেবে কাজ করেছে। এই স্তরকে গেট ও চ্যানেলের মধ্যে বৈদ্যুতিক বিচ্ছিন্নতা বজায় রাখতে হয়, আবার গেটের বৈদ্যুতিক ক্ষেত্র দিয়ে কারেন্ট নিয়ন্ত্রণের সুযোগও দিতে হয়। প্রাথমিক উপাদানের একটি অংশ রূপান্তর করে এই স্তর তৈরি করায় দ্বিমাত্রিক অর্ধপরিবাহীর ওপর সমান প্রলেপ দেওয়ার অসুবিধা মোকাবিলা করা যায়।

দলটি জানিয়েছে, তাদের নিরোধক স্তরটি ইন্টারন্যাশনাল রোডম্যাপ ফর ডিভাইসেস অ্যান্ড সিস্টেমসের ১ ন্যানোমিটার বা তার কম সমতুল্য অক্সাইড পুরুত্বের লক্ষ্যমাত্রা পূরণ করেছে। সমতুল্য অক্সাইড পুরুত্ব, সংক্ষেপে EOT, একই ধারকত্বের সিলিকন ডাই-অক্সাইডের রেফারেন্স স্তরের পুরুত্ব দিয়ে কোনো নিরোধকের বৈদ্যুতিক কার্যকারিতা প্রকাশ করে।

তাই EOT শুধু উপাদানটির ভৌত পুরুত্ব নয়, এর বৈদ্যুতিক আচরণ বোঝায়। গবেষকদের বরাত দিয়ে প্রকাশিত তথ্যে EOT ১ ন্যানোমিটারের কম বলা হয়েছে; প্রকাশিত সংখ্যাগত বিবরণে ০.৩ থেকে ০.৪ ন্যানোমিটার এবং প্রায় ১ ন্যানোমিটারও উল্লেখ করা হয়েছে। ওই বিবরণগুলোতে সঠিক মানটি নিয়ে অস্পষ্টতা রয়েছে, তবে সবগুলোতেই নিরোধককে রোডম্যাপে নির্ধারিত লক্ষ্যমাত্রার সমান বা তার মধ্যে রাখা হয়েছে।

১ ভোল্টে কাজ করেছে স্তূপ করা সার্কিট

একটি ট্রানজিস্টর পরীক্ষা করার বাইরে গিয়ে গবেষকেরা একটি পি-টাইপ ও একটি এন-টাইপ ট্রানজিস্টর উল্লম্বভাবে স্তূপ করে পরিপূরক ইনভার্টার তৈরি করেন। ইনভার্টার একটি মৌলিক ডিজিটাল সার্কিট: উচ্চ ইনপুট দিলে এটি নিম্ন আউটপুট দেয়, আর নিম্ন ইনপুট দিলে উচ্চ আউটপুট দেয়।

সার্কিটটি ১ ভোল্ট কার্যকরী ভোল্টেজে সংকেত উল্টে দেয়। এটি তৈরি করতে বিভিন্ন ধরনের অর্ধপরিবাহীকে একসঙ্গে কাজ করাতে হয়েছে। এর মাধ্যমে উপাদান রূপান্তরের পদ্ধতিকে ডিজিটাল ইলেকট্রনিকসে ব্যবহৃত একটি মৌলিক কাজের সঙ্গে যুক্ত করা হয়েছে।

উল্লম্ব নির্মাণপ্রক্রিয়া ত্রিমাত্রিক সমন্বিত সার্কিট তৈরির বিষয়ে দলের পরিকল্পনার সঙ্গেও সম্পর্কিত। যন্ত্রগুলো একটির ওপর আরেকটি সাজালে একই পৃষ্ঠতলে আরও বেশি সার্কিট বসানো সম্ভব হতে পারে, যদি স্তূপজুড়ে উপাদান ও প্রক্রিয়াকে নিয়ন্ত্রণ করা যায়।

আইবিএস কেন্দ্রের পরিচালক ও পোস্টেকের বিশিষ্ট অধ্যাপক চো উপাদান তৈরির কৌশল এবং যন্ত্র নির্মাণের সংযোগ সম্পর্কে বলেন:

এই গবেষণায় পারমাণবিক স্তরে উপাদান নিয়ন্ত্রণের মৌলিক পদার্থবিজ্ঞান কৌশলকে আধুনিক অর্ধপরিবাহী প্রযুক্তির সঙ্গে একীভূত করা হয়েছে,

প্রকাশনা এবং বড় ওয়েফারের দিকে অগ্রযাত্রা

গবেষণাপত্রটির শিরোনাম Modular van der Waals MOSFETs through layer-by-layer chalcogen substitutions। MOSFET হলো অন্তরক গেট দিয়ে নিয়ন্ত্রিত বহুল ব্যবহৃত এক শ্রেণির ট্রানজিস্টরের নাম। ক্যালকোজেন হলো রাসায়নিক মৌলগুলোর একটি শ্রেণি, যার মধ্যে অক্সিজেন, সালফার, সেলেনিয়াম ও টেলুরিয়াম রয়েছে—এই প্রতিস্থাপনে ব্যবহৃত প্রধান মৌলগুলো।

ঘোষণা ও প্রকাশনার তারিখ সম্পর্কে বলা হয়েছে:

• ১৫ অক্টোবর, ২০২৬: বিজ্ঞান ও আইসিটি মন্ত্রণালয় মডুলার ট্রানজিস্টর গবেষণার ঘোষণা দিয়েছে বলে জানানো হয়।
• ১৬ অক্টোবর, ২০২৬, কোরিয়ান স্ট্যান্ডার্ড সময় ভোর ৩টা: মন্ত্রণালয়ের তথ্য অনুযায়ী, এই সময়ে Science সাময়িকীতে গবেষণাটি প্রকাশিত হয়। অন্য বিবরণে জনসমক্ষে ঘোষণার তারিখ ১৬ অক্টোবর বলা হয়েছে।

পরবর্তী ধাপে পদ্ধতিটি অন্য দ্বিমাত্রিক অর্ধপরিবাহীতে প্রয়োগ এবং ওয়েফারজুড়ে সম্প্রসারণ করা হবে। ওয়েফার হলো অনেক অর্ধপরিবাহী যন্ত্র একসঙ্গে তৈরিতে ব্যবহৃত বড় ভিত্তি। শিল্পে ব্যবহারের জন্য এসব পৃষ্ঠজুড়ে সমান ও পুনরুৎপাদনযোগ্যভাবে পরমাণু প্রতিস্থাপন করা প্রয়োজন। উৎপাদনে ব্যবহারের কোনো সময়সীমা জানানো হয়নি।

দলটির লক্ষ্য নির্দিষ্ট: বারবার আলাদা ফিল্ম সরিয়ে এনে জোড়া লাগানোর বদলে, প্রয়োজনীয় উপাদান যেখানে দরকার সেখানেই তৈরি করা। বড় পরিসরে এটি পরীক্ষামূলক যন্ত্রে মাপা গেটের ঘনিষ্ঠ নিয়ন্ত্রণ ও উন্নত সংযোগ বজায় রেখেই সংযোজনের জটিলতা কমাতে পারে।

বিজ্ঞান ও আইসিটি মন্ত্রণালয়ের গবেষণা ও উন্নয়ন নীতি দপ্তরের পরিচালক কিম সঙ-সু বলেন, মৌলিক ও ভিত্তিমূলক গবেষণায় সরকার সহায়তা অব্যাহত রাখবে, যাতে উদ্ভাবনী প্রযুক্তি দক্ষিণ কোরিয়ার শিল্প প্রতিযোগিতায় অবদান রাখতে পারে। গবেষকদের পরবর্তী কাজের লক্ষ্য হবে বৃহত্তর প্রক্রিয়াকরণ এলাকা, অতিরিক্ত উপাদান এবং স্তূপ করা সমন্বিত সার্কিট।

মূল তথ্য

• টাংস্টেন ডিসেলেনাইডে সেলেনিয়াম পরমাণু বেছে বেছে প্রতিস্থাপন করে কোরীয় দলটি ট্রানজিস্টরের প্রধান উপাদান তৈরি করেছে।
• তাপমাত্রা, গ্যাসের চাপ ও মাস্কের সাহায্যে প্রায় ০.৭ ন্যানোমিটার পুরু স্তরে এবং পৃষ্ঠের নির্দিষ্ট স্থানে রূপান্তর নিয়ন্ত্রণ করা হয়েছে।
• সংযোগস্থলের শক্তির বাধা কমে ৩৫.৫ মিলিইলেকট্রনভোল্টে নেমেছে, যা সরাসরি ধাতব সংযোগের মানের প্রায় এক-তৃতীয়াংশ।
• গেট ভোল্টেজ ৬১.৩ মিলিভোল্ট বদলালে কারেন্ট দশ গুণ বেড়েছে, যা ঘরের তাপমাত্রায় আনুমানিক ৬০ মিলিভোল্টের সীমার কাছাকাছি।
• চালু ও বন্ধ অবস্থার কারেন্টের অনুপাত ১ কোটির বেশি ছিল।
• উল্লম্বভাবে স্তূপ করা পরিপূরক ইনভার্টার ১ ভোল্টে সংকেত উল্টেছে।
• শিল্পে প্রয়োগের পরবর্তী শর্ত হলো অর্ধপরিবাহী ওয়েফারজুড়ে সমানভাবে প্রক্রিয়াকরণ করা।