Исследователи из Международного центра квантовых материалов при Пекинском университете в сотрудничестве с Китайским университетом Жэньминь сообщили об успешном изготовлении ими двумерных полупроводников на основе селенида индия (InSe) на пластинах, подчеркнув, что это является важным достижением в области электроники нового поколения.
Селенид индия, который часто называют «золотым полупроводником», обладает идеальным сочетанием свойств, превосходит по своим характеристикам кремний и открывает путь для чипов нового поколения. InSe долгое время привлекал исследователей своим идеальным сочетанием свойств, включая высокую подвижность электронов, подходящую ширину запрещенной зоны и ультратонкий профиль. Но до сих пор его производство в больших масштабах было труднодостижимым. Однако команда исследователей из Пекинского университета добилась результатов в этой области, используя новую стратегию выращивания «твердое тело – жидкость – твердое тело», которая обеспечивает непревзойденное качество кристаллов и фазовую чистоту на всей 2-дюймовой пластине.
В сообщении китайских ученых о проведенных исследованиях указывается, что транзисторы на основе InSe многократно превосходят кремниевые, демонстрируя подвижность электронов до 287 cm²/V·s и сверхнизкие подпороговые колебания при комнатной температуре. При длине затвора менее 10 нм устройства демонстрировали минимальную утечку, высокие коэффициенты включения/выключения и эффективную баллистическую транспортировку, превосходя даже стандарты IRDS 2037 для продуктов с задержкой энергопотребления.
По словам китайских специалистов, рост InSe в масштабах пластины стал значительным достижением, так как этот материал представляет собой сложную задачу для работы из-за резкой разницы давлений паров индия и селена, а также из-за его склонности к образованию стабильных фаз. Эти проблемы долгое время мешали попыткам синтеза на больших площадях, часто приводя лишь к образованию микроскопических чешуек. Чтобы преодолеть это, исследователи начали с распыления аморфной пленки InSe на сапфировые подложки. Затем пластина была покрыта слоем индия с низкой температурой плавления и помещена в кварцевую полость. Нагрев ее примерно до 550 °C вызвал тщательно контролируемую реакцию, позволив индию создать локализованную среду, богатую индием, которая способствовала равномерной кристаллизации на границе раздела. В результате впервые в отрасли была получена 2-дюймовая внутренняя пластина с исключительной однородностью толщины, фазовой чистотой и кристаллической структурой.
Используя эти пластины, команда китайских ученых создала высокопроизводительные транзисторные матрицы, которые не просто работали, но и превосходили предыдущие аналоги по качеству. Устройства демонстрировали подвижность электронов, значительно превосходящую возможности современных двумерных полупроводников, а также переключение, близкое к пределу Больцмана. Транзисторы также продемонстрировали высокую производительность на узлах с высокой степенью масштабирования, а продукты с пониженным барьером, вызванным утечкой (DIBL) и задержкой энергопотребления, превзошли цели Международной дорожной карты по устройствам и системам (IRDS) на 2037 год.
Поддержание идеального атомного соотношения индия и селена 1:1 во время роста было основным узким местом в 2D-синтезе InSe. Метод, разработанный командой китайских ученых, эффективно решает эту проблему, открывая путь не только для InSe, но и, по их оценкам, для более широкого класса двумерных полупроводников, включая другие халькогениды с нестабильными фазами. Это делает указанные достижения еще более значительными, а его совместимость с существующими CMOS-процессами может ускорить интеграцию в реальном мире.
В настоящее время исследователи изучают возможность гетероинтеграции с другими 2D-материалами для создания многофункциональных чипов с вертикальным расположением элементов. Будущие применения такого нововведения включают в себя ускорители искусственного интеллекта со сверхнизким энергопотреблением, передовые вычислительные процессоры и прозрачную или гибкую электронику для интеллектуальных устройств. По оценкам китайских экспертов, показатели производительности, которые уже превышают долгосрочные прогнозы кремниевых производителей, могут вскоре стать основой посткремниевой эры.
Указанное исследование опубликовано в журнале Science.