* Переход от кремниевой электроники к новому материалу позволит создать более эффективные вычислительные устройства *

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.

— 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. Однако пока ожидаемый результат не ясен, так как для однозначной оценки нужно получить измеримые характеристики контактной системы металл — сульфид молибдена.

Денис Гриценко

https://iz.ru/2141209/denis-gritcenko/v-rf-sozdali-tekhnologiyu-proizvodstva-komponentov-sverhkompaktnyh-chipov