По мере того как электронные устройства становятся все меньше и мощнее, количество транзисторов продолжает увеличиваться, даже несмотря на то, что сами микросхемы становятся все меньше. Эксперты объяснили, что при уменьшении толщины обычных транзисторных материалов на основе кремния до нанометрового уровня их изоляционные свойства значительно снижаются, что приводит к утечке тока. Это не только увеличивает энергопотребление чипа, но и приводит к увеличению тепловыделения, что влияет на стабильность и срок службы устройства.
Поскольку кремниевые полевые транзисторы (FET) достигают своих пределов в миниатюризации, по мнению экспертов, необходимы новые материалы, чтобы уменьшить такие проблемы, как эффекты короткого замыкания в канале. Двумерные (2D) материалы, такие как дисульфид молибдена (MoS2), являются перспективными благодаря своей атомной тонкости и высокой подвижности носителей. Однако отсутствие высококачественных диэлектрических материалов не позволяет в полной мере реализовать потенциал 2D полевых транзисторов. Обычные аморфные оксидные диэлектрики, такие как SiO2, Al2O3 и HfO2, не могут создавать гладких поверхностей раздела с 2D-материалами, что приводит к высокой утечке на затворе и низкой диэлектрической прочности.
По словам исследователей, хотя кристаллические диэлектрики, такие как гексагональный нитрид бора (hBN) и фторид кальция (CaF2), обладают более гладкими границами раздела, они по-прежнему сталкиваются с такими проблемами, как высокие токи утечки и трудности с уменьшением размера до атомной толщины.
В последнее время, благодаря своим уникальным свойствам, многообещающими стали атомарно-тонкие оксиды металлов. Эти материалы могут быть легко сформированы на металлических поверхностях, обеспечивая надлежащие диэлектрические свойства и плоскую поверхность, что потенциально может преодолеть ограничения по току в 2D полевых транзисторах.
Согласно сообщению китайских СМИ, группа ученых из Шанхайского института микросистем и информационных технологий Китайской академии наук разработала новый материал, который может быть использован для создания двумерных компьютерных чипов с низким энергопотреблением, что может значительно повысить их энергоэффективность и существенно повлиять на срок службы батареи смартфона.
Как сообщается, низкое энергопотребление и высокая производительность чипов на основе этого материала также будут способствовать устойчивому развитию 5G, искусственного интеллекта, интернета вещей и других областей, а также способствовать популяризации следующего поколения интеллектуальных устройств.
Чтобы решить возникшие проблемы группа шанхайских ученых разработала инновационную технологию окисления интеркаляции металлов и использовала ее для формирования диэлектрика из сапфирового стекла, который используется при разработке двумерных маломощных чипов с высокой производительностью.
Двухмерные полупроводниковые материалы идеально подходят для следующего поколения микросхем интегральных схем. Так, Samsung работает над применением таких материалов при производстве высокочастотных микросхем с низким энергопотреблением. Компания Taiwan Semiconductor Manufacturing Co изучает, как интегрировать такие материалы в существующие полупроводниковые процессы для улучшения характеристик транзисторов и снижения энергопотребления.
Ди Цзэнфэн, ведущий исследователь команды ученых из Шанхая, сказал, что суть предложенной ими технологии заключается в способности точно манипулировать атомами кислорода таким образом, чтобы они могли быть встроены в кристаллическую решетку алюминия слой за слоем с образованием упорядоченного монокристаллического диэлектрика из оксида алюминия — сапфира. «Обычные материалы из оксида алюминия часто имеют неупорядоченную структуру, что может привести к значительному снижению их изоляционных свойств в очень тонких слоях. Однако монокристаллическая структура сапфира обеспечивает более высокую подвижность электронов и меньшую утечку тока», - говорит Ди. "Упорядоченное размещение материала на микроскопическом уровне обеспечивает стабильность электронов при транспортировке, позволяя предотвратить утечку тока даже при толщине всего в 1 нанометр, что значительно повышает энергоэффективность чипов", - сказал он.
Команда ученых сформировала устойчивый, невероятно тонкий слой оксида алюминия толщиной всего 1,25 нм на поверхности монокристаллического алюминия при комнатной температуре, используя уникальный метод окисления. Этот новый материал, который обеспечивает низкую утечку заряда, плотность граничных состояний и высокую диэлектрическую прочность, удовлетворяет строгим международным требованиям. Группа ученых из Шанхайского института микросистем и информационных технологий Академии наук Китая утверждает, что это изобретение может значительно повысить энергоэффективность, что будет иметь важные последствия для продления срока службы батареи смартфона.
Подробности исследования команды опубликованы в журнале Nature.
