В 2004 году британские физики Андре Гейм и Константин Новосёлов — оба родом из России — получили графен, отслаивая слои с куска графита обычным скотчем. Через шесть лет им дали Нобелевскую премию. Графен оказался материалом с поразительными свойствами, но для классической микроэлектроники непригодным: он полуметалл, а транзистору нужен полупроводник — материал, который можно переключать между проводящим и непроводящим состоянием.
Заменить кремний: почему ведущие «чипмейкеры» бросились изучать материал, похожий на школьный «карандашный» графит
Физический предел применимости кремния, который полвека был движущей силой электронной революции, подходит к концу. Транзисторные каналы сжались до толщины в 5 нм, и ниже этого предела кремний начинает вести себя неудовлетворительно: шероховатость становится сопоставимой с толщиной материала, носители заряда рассеиваются, а подвижность падает на два порядка. Чем тоньше слой, тем сильнее атомарные неровности поверхности мешают току — и с этим уже ничего не поделать. Поиском материалов, способных заменить кремний в транзисторах следующего поколения, сегодня занимаются ведущие лаборатории мира, в их числе — исследовательские группы «Центра перспективной микроэлектроники», созданного на базе МФТИ.
Magnific
Материал из школьного опыта
Зато в том же семействе слоистых материалов нашлись соединения с нужными свойствами — дихалькогениды переходных металлов. В них слои держатся вместе не жесткими химическими связями, а слабым молекулярным притяжением — так называемыми силами Ван-дер-Ваальса. Это делает поверхность каждого слоя атомарно гладкой: никаких оборванных связей, никаких неровностей. Самый перспективный из таких материалов — дисульфид молибдена, MoS₂. Его монослой толщиной около семи ангстрем работает как полноценный полупроводник — примерно в десять раз тоньше того кремниевого канала, который уже сегодня считается рекордно тонким.
Схематическое различие между объемными и двумерными материалами
Схема атомной структуры MoS2, где черные и желтые сферы представляют атомы Mo и S соответственно
Полный цикл — все с нуля
Лаборатория Андрея Маркеева в МФТИ работает именно с MoS₂ — и ставит перед собой задачу пройти полный технологический цикл: от синтеза материала электронного качества до работающего транзистора. На практике это означает, что каждый привычный инструмент или техпроцесс кремниевой технологии здесь не применим, так что все приходится изобретать заново.
Молибденит в природе
Не проще обстоит дело с подзатворным диэлектриком — слоем, который управляет переключением транзистора. В кремниевых устройствах его выращивают атомно-слоевым осаждением прямо на поверхности полупроводника: там есть активные химические связи, обеспечивающие сцепление. Поверхность MoS₂ химически инертна — и это ее достоинство с точки зрения электронного транспорта становится серьезным препятствием для технолога, которому нужно нанести на эту поверхность функциональный слой.
Транзисторы уже работают
В МФТИ синтез MoS₂ проводится методом металлоорганического химического осаждения из газовой фазы — промышленно ориентированным способом, который в перспективе легче масштабировать до производственных объемов. Удалось получить практически монокристаллический полупроводниковый монослой MoS₂ — без существенной доли кристаллитов других ориентаций.
Ученые уже получили первые образцы транзисторов, и не просто транзисторов, а запоминающих транзисторов:
- соотношение токов во включенном и выключенном состоянии — порядка 10⁶,
- окно памяти примерно 12 В — соответствуют общемировому уровню.
ПЭМ-изображение MoS2 в темном поле с картиной микродифракции
Передаточные характеристики транзисторной структуры
Следующий этап — переход от одиночного транзистора к матрице транзисторов. Современные вычислительные системы все чаще упираются не в производительность отдельного транзистора, а в ограничение фон-неймановской архитектуры компьютера (von Neumann bottleneck): постоянная пересылка данных между процессором и памятью потребляет львиную долю энергии и времени.
Именно здесь двумерные материалы открывают второе, неочевидное преимущество. На основе MoS₂ можно создавать не только обычные транзисторы, но и транзисторы памяти, например, с плавающим затвором (FGFET), где тот же монослой служит каналом для энергонезависимого транзистора с запомненной проводимостью памяти. При этом такой транзистор, в отличие от кремниевого, в состоянии работать при очень малых напряжениях. Одна и та же матрица может одновременно хранить веса (проводимости в каналах) и прямо на месте за один цикл умножать их на входной сигнал — физически, через законы Ома и Кирхгофа. Это основа концепции «вычислений в памяти» (in-memory computing), которая способна обойти главный тормоз современных нейросетей на классических процессорах.
В течение ближайших двух лет планируется создать демонстратор микросхемы: набор транзисторов, выполняющих вычислительную задачу. Это переход от элемента к устройству — он и покажет, способна ли новая технология конкурировать с кремнием не в лаборатории, а в деле.
MoS₂
Почему это происходит сейчас
Intel, TSMC и исследовательский консорциум IMEC — площадка в Бельгии, где ведущие производители чипов совместно отрабатывают перспективные технологии, — все они активно работают с дихалькогенидами переходных металлов. Критический предел кремниевой технологии, по расчетам, будет достигнут к 2030-2034 году, и индустрия это понимает. Российские исследования ведутся в рамках того же мирового научного сюжета — в консорциуме МФТИ с ВНИИА им. Духова, институтами РАН и индустриальными партнерами, включая ГК «Элемент».
«Транзисторные характеристики, которые мы получаем, уже соответствуют мировому уровню. Теперь задача — перейти от одиночного транзистора к микросхеме, которая выполняет реальную вычислительную функцию. Вот тогда и будет понятно, что технология состоялась», — заключает Андрей Маркеев.