Для следующего поколения полнофункциональной и энергоэффективной электроники потребуются компьютерные чипы всего на несколько атомов. При всех своих положительных свойствах кремний — текущее ключевое вещество в полупроводниковом производстве — не может предложить такое развитие и привести нас к подобным технологиям. Решение этого крайне важного вопроса нашли ученые из Стэнфорда, представив проект сверхтонких полупроводниковых материалов.
Инженеры-электрики из частного Стэнфордского университета идентифицировали два новых полупроводника. Так называемые диселенид гафния и диселенид циркония — ультратонкие материалы, которые разделяют и даже превосходят некоторые из лучших качеств кремния. При этом диселенид гафния и диселенид циркония, по утверждениям авторов проекта, могут быть редуцированы в функциональные микросхемы толщиной всего в три атома и требуют меньше энергии, чем привычный кремний. Несмотря на то, что представленные материалы все еще являются экспериментальными, исследователи заявили, что именно они позволят прийти к более тонким и энергоэффективным чипам для мобильных устройств будущего.
«Инженеры не смогли сделать кремниевые транзисторы тоньше, чем около пяти нанометров, прежде чем свойства материала начнут изменяться нежелательными способами», — сказал Эрик Поп (Eric Pop), адъюнкт-профессор электротехники и соавтор исследования.
Как известно, кремний обладает несколькими качествами, благодаря которым он стал основой современной электроники. Во-первых, у него очень хороший «родной» изолятор — диоксид кремния (или в простонародье — кремниевая кислота). Благодаря связи кремния с кислородом производителям чипов во время производства проще изолировать схемы. Другие полупроводники не имеют такого свойства при контакте с кислородом, поэтому должны покрываться дополнительными слоями изоляторов. Инженерам из Стэнфорда удалось сформировать высококачественный изолирующий слой кислоты для диселенида гафния и диселенида циркония. Более того, новые полупроводниковые материалы справляются с собственной изоляцией даже лучше, чем кремний. Они образуют так называемые «высокие К-диэлектрики», которые позволяют работать с меньшей мощностью, чем это возможно с кремнием и его изолятором из оксида кремния.
При проведении экспериментов по сжатию диселенидов до атомного уровня исследователи из университета Стэнфорда также обнаружили еще одно их преимущество. Новые ультратонкие полупроводники обладают оптимальной энергией, необходимой для переключения транзисторов — это критический шаг в вычислениях, называемый шириной запрещенной зоны. Например, если ширина запрещенной зоны превышена, то чип потребляет слишком много энергии и становится неэффективным. Диселенид гафния и диселенид циркония имеют оптимальный диапазон — так же, как кремний. Однако, кремний нельзя уменьшить до размеров трех атомов (двух третей нанометра), тогда как новые ультратонкие полупроводники можно. В теории производители смогут создавать транзисторы в 10 раз меньше, чем все, что возможно с кремнием сегодня.
«Кремний не исчезнет. Но для потребителей это может означать гораздо более длительный срок службы батареи и гораздо более сложную функциональность, если эти полупроводники могут быть интегрированы с кремнием», — дополнил Эрик Поп.
