Использование диселенида и диоксида гафния может позволить сделать кремниевые транзисторы в десять раз меньше, чем существующие рекордные показатели. Таким образом ученые из Стэнфордского университета надеются продлить действие закона Мура еще как минимум на несколько лет. Исследование опубликовано в журнале Science Advances.

Существует эмпирическое наблюдение, называемое законом Мура, которое гласит, что каждые два года количество транзисторов на интегральных платах удваивается. Несмотря на то, что в разное время скорость повышения количества транзисторов разнилась, в целом этот закон действительно соблюдался в течение десятилетий. Однако, в последнее время разработчики чипов приближаются к физическим ограничениям. Совсем недавно IBM объявила о разработке пятинанометрового технологического процесса, а десятинанометровые процессоры уже можно встретить в серийно выпускаемых смартфонах. Это означает, что толщина кремниевых элементов уже измеряется десятками атомов и дальнейшая миниатюризация становится все сложнее.

Michal J. Mleczko et al. / Science Advances, 2017

Кремний используется как основной материал в полупроводниковой промышленности из-за двух важных свойств. Во-первых, он обладает такой шириной запрещенной зоны, что транзисторы на его основе потребляют мало энергии, во-вторых, его оксид может служить изолятором, защищающим транзистор от утечки тока. Соответственно, при дальнейшем уменьшении толщины может возникать ток утечки, вызванный туннелированием зарядов через диэлектрик, и это является одним из основных препятствий на пути к дальнейшей миниатюризации микросхем.

Американские ученые нашли способ продолжить миниатюризацию кремниевых транзисторов с помощью диселенидов гафния и циркония. Оказалось, что в отличие от кремния, если уменьшить толщину этих веществ до слоя из трех атомов, они все еще сохраняют хорошую ширину запрещенной зоны, а оксиды гафния и циркония служат гораздо более эффективным изолятором, чем оксид кремния. Исследователи создали несколько прототипов таких транзисторов. Несмотря на то, что основную роль в них играли новые материалы, ученым все равно пришлось использовать кремний в качестве подложки, и его оксид в качестве «буферного слоя», помогающего «сгладить» разницу между кристаллическим строением кремния и диселенидов.

Схема и изображение прототипа транзистора. Michal J. Mleczko et al. / Science Advances, 2017

Ученые признают, что как и в случае со многими другими прорывами в области полупроводников, предстоит решить немало проблем перед тем, как технологию можно будет использовать в реальном производстве. К примеру, необходимо создать соответствующие контакты для таких небольших транзисторов.

В прошлом году физики из Стэнфордского университета и других организаций смогли создать транзистор с рекордно малым размером затвора — около нанометра. Другие ученые решили использовать другой подход и создали миниатюрные транзисторы, работающие на фотоэффекте.

Автор: Григорий Копиев