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.
«Кремний — великий материал, но у него есть физический предел. Мы работаем с тем, что будет после него»
Материал из школьного опыта
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.
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.
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.
Взять хотя бы контакты истока и стока. В кремниевом транзисторе их создают путем ионной имплантации: ионы легирующего элемента разгоняют и внедряют в материал на нужную глубину. Когда толщина канала семь ангстрем — этот прием не работает физически. Нужны принципиально другие подходы к созданию контактов с малым сопротивлением — и это одна из труднейших открытых задач во всем мировом сообществе, работающем с двумерными полупроводниками.
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.
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.
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.