Микро в схему: в РФ создали технологию производства компонентов сверхкомпактных чипов

Российские ученые предложили первую в стране технологию производства основных компонентов процессоров — транзисторов — из дисульфида молибдена. Они могут заменить достигшую предела компактности и производительности кремниевую электронику. Альтернативные устройства будут как минимум втрое компактнее даже самых небольших из имеющихся аналогов, а также в сотни раз энергоэффективнее. Эксперты отмечают, что технология открывает перспективы для создания принципиально новых вычислительных систем, однако ее практическая ценность будет зависеть от подтверждения заявленных характеристик и возможности промышленного внедрения.

Транзисторы из молибдена

Специалисты МФТИ первыми в России предложили методику создания транзисторов из дисульфида молибдена, которые можно внедрить в промышленное производство. Этот материал сможет заменить применяемый сейчас в электронике кремний, чипы из которого достигли предела компактности, и снижать далее их размеры нельзя даже теоретически. Молибденовый транзистор будет как минимум втрое меньше своего кремниевого аналога и в несколько сотен раз энергоэффективнее. При этом устройства из него совместимы с классическими вычислительными системами.

— Дисульфид молибдена позволяет преодолеть ограничения кремния на толщину примерно с 2 нанометров до 0,65, а выигрыш в энергоэффективности может быть в сотни раз. За счет этого чипы из нового материала могут, например, снизить нежелательный нагрев устройств на порядки, — сказал старший научный сотрудник центра фотоники и двумерных материалов МФТИ Илья Завидовский.

Сегодня основным материалом для производства электронной компонентной базы остается кремний. Однако возможности его дальнейшей миниатюризации практически исчерпаны: при уменьшении размеров транзисторов начинают проявляться квантовые эффекты, возрастают утечки тока и тепловыделение, что ограничивает дальнейший рост производительности. В поисках альтернативы специалисты по всему миру исследуют новые материалы. Одним из наиболее перспективных считается дисульфид молибдена — двумерный полупроводник толщиной всего в несколько атомов. Лабораторные исследования в этой области активно ведутся в США и Европе, а в Китае в начале года сообщили о запуске первой экспериментальной линии по производству процессоров на основе этого материала.

Дефекта ради: найден идеальный материал для чипов гаджетов и автоэлектроники

Как феррит никеля поможет создать микросхемы для энергонезависимых устройств

— Двумерные материалы давно обещают революцию в микроэлектронике, но между лабораторией и реальным производством стоит целый ряд технологических проблем. Одна из них — как подключить металлический электрод к материалу толщиной в атом, не разрушив его. Наша работа дает конкретный ответ на этот вопрос, — уточнил старший научный сотрудник лаборатории атомно-слоевого осаждения МФТИ Роман Романов.

Структура на основе дисульфида молибдена обеспечивает идеальный электростатический контроль и позволяет подавить токи утечки. Однако ее практическому применению долгое время препятствовала одна из ключевых технологических проблем: при вакуумном напылении металлических электродов хрупкая структура материала повреждается. Атомы металла выбивают атомы серы с поверхности, образуя дефекты и нарушая электрический контакт.

Ученые МФТИ предложили решение этой проблемы. Они сформировали между электродом и полупроводником ультратонкую изолирующую прослойку из диоксида титана толщиной всего в несколько атомов, используя метод атомно-слоевого осаждения.

Внедрение в практику

Этот подход универсален и применим к целому классу других двумерных материалов — дисульфиду вольфрама, селенидам молибдена и вольфрама. Его можно внедрять на реальных производствах без радикальной перестройки процессов, так как атомно-слоевое осаждение давно освоено промышленностью. Технология в перспективе позволит создавать транзисторы компактнее самых передовых современных кремниевых аналогов, а также гибкие и прозрачные электронные устройства, рассказали специалисты.

По мнению эксперта НТИ по новым материалам и технологиям Евгения Вишневского, двумерные материалы, такие как дисульфид молибдена, позволяют обойти кремниевый предел. Они толщиной в несколько атомов, но при этом сохраняют хорошие полупроводниковые свойства и обеспечивают надежный электростатический контроль.

— Чипы на основе таких материалов открывают несколько важных возможностей. Во-первых, они позволяют делать транзисторы значительно компактнее, чем самые передовые кремниевые аналоги, что напрямую ведет к более плотной и производительной электронике. Во-вторых, это путь к гибкой и прозрачной электронике, то есть к носимым устройствам, гибким дисплеям, сенсорам, интегрированным в одежду или даже на кожу, и другие решения, которые на кремнии реализовать сложно или невозможно. В-третьих, такие структуры могут снизить энергопотребление, что критично для мобильных устройств, интернета вещей и дата-центров, — сказал он.

Эксперт подчеркнул, что атомно-слоевое осаждение уже используется в производстве, а сам метод с туннельным буфером из диоксида титана можно адаптировать и под другие двумерные материалы. Это значит, что у разработки есть реальный шанс перейти от научных статей к коммерческим продуктам, особенно в сегментах, где важны миниатюризация, гибкость и низкое энергопотребление.

По словам руководителя научного направления «Микроэлектроника» Института нанотехнологий и микроэлектроники РАН Николая Шелепина, внедрять технологию в практику имеет смысл, если преимущества транзисторов из нового материала перевешивают сложности такого перехода.