Если появится электроника, которая основана не на кремнии, как сейчас, а на молибдените, то она будет не «лучше» или «хуже», она будет просто «иная».

Рис. 1. Виктор Атучин
(Институт физики полупроводников СО РАН).

Существует ли замена для кремния в микроэлектронике? Такой вопрос всплывает всякий раз, когда приходит очередная новость об исследовании других полупроводников. Опубликованная недавно в Nature Nanotechnology статья о молибдените произвела такой же эффект.

Статья описывала результаты интересного эксперимента: учёные из Федерального политехнического института Лозанны отделили тончайший слой молибденита, закрепили его на подложке и создали специальную электродную структуру для контакта.

Эксперимент хотя и красив, но вовсе не даёт поводов списывать со счетов кремний. Виктор Атучин (Институт физики полупроводников СО РАН) рассказал «Компьютерре», что публикация в уважаемом журнале была многими понята превратно и молибденит, очевидно, не сможет заменить кремний. Тем не менее этот известный кристалл дисульфида молибдена вполне способен сыграть важную роль.

— Что такое молибденит, и какими свойствами он обладает?

— Молибденит – это давно известный минерал, широко распространённый по земному шару. Он является основным промышленным сырьём для производства металлического молибдена. По своей химической природе он представляет собой соединение молибдена и серы с формулой MoS₂. Цветом он похож на обычный металл – типа стали. На воздухе молибденит нестабилен. Это значит, что при достаточно длительном контакте с атмосферой он реагирует с кислородом и парами воды, то есть происходит обычная химическая реакция окисления. В результате получается оксид молибдена MoO3, а в качестве побочных газообразных продуктов выделяются оксиды серы и сероводород. Вот рисунок, на котором изображён один из особенно красивых образцов природного молибденита. Звёздчатые кристаллы молибденита вкраплены в окружающую породу.

Рис. 2. Кристаллы молибденита, Нижняя Силезия, Польша.

Основное специфическое свойство молибденита – это его выраженная слоистая кристаллическая структура. В плоскости слоёв атомы молибдена и серы связаны прочными ковалентными связями, которые трудно разорвать. Но в направлении, перпендикулярном слоям, химические связи очень слабые и легко разрываются, например, при минимальном механическом воздействии. Если размять молибденит пальцами, то на коже останется слой с жирным металлическим блеском – это на поверхности застряли мелкие чешуйки молибденита. Это свойство широко используют в машиностроении для изготовления смазок для поверхностей, трущихся в вакууме. То есть по своим механическим свойствам молибденит подобен графиту и многим другим твёрдым веществам с выраженной слоистой структурой.

Другие физические свойства молибденита изучены в значительно меньшей степени. Конечно, мы знаем его основные параметры типа кристаллической структуры, плотности и электрической проводимости. Однако необходимо помнить, что определялись они, в основном, при изучении природных образцов молибденита, которые всегда содержат много примесей. Совершенно очевидно, что электронные и оптические свойства искусственно выращенных кристаллов молибденита могут значительно отличаться от параметров природных образцов.

— Молибденит и раньше использовали как полупроводник. Почему только сейчас появилась мысль применить его в микроэлектронике?

— На заре электроники не умели получать чистые полупроводниковые кристаллы. Сначала в поисках полупроводниковых веществ исследователи массово изучали материалы, лежащие под рукой. Молибденит действительно является полупроводником, что и было обнаружено давным-давно. На основе природных кристаллов удалось даже изготовить работоспособные приборные структуры, однако сколько-нибудь широкого применения они не нашли. Электронные свойства природных кристаллических минералов весьма отличаются от образца к образцу, так как состав и концентрация примесей сильно варьируются для различных месторождений. Развивать электронику на таких материалах невозможно. Как только в электронике появились германий и кремний, молибденит был основательно забыт, как и многие другие кристаллы с полупроводниковыми свойствами, применявшиеся на заре радиотехники. Точнее, эти материалы были уложены на полку, и все исследовательские ресурсы сконцентрировались на кремнии, германии, арсениде галлия. Однако физики про молибденит не забывали все это время, и как только началась эпоха слоистых углеродных материалов семейства графена, исследователи вполне логично обратились к рассмотрению и других слоистых материалов, которых известны сотни и тысячи. Молибденит среди них вызывает повышенное внимание. То есть в забеге графена и молибденита графену просто повезло стартовать с некоторым временным отрывом, не более.

— Если сравнивать его с кремнием, какие у него есть преимущества?

Рис. 3. Пластинчатые кристаллы α-MoO
(ИФП СО РАН, Новосибирск)

— Так ставить вопрос вообще неправомерно. Сначала нужно определить преимущества – для чего? В качестве иллюстрации можно привести следующий пример. Сейчас в любом домашнем компьютере вы найдёте кучу микросхем на основе кремния. Молибденита там нет и в помине, тут он кремнию очевидно не конкурент. Любой микроэлектронный материал описывается целой совокупностью физико-химических параметров, и сравнивать различные полупроводниковые кристаллы между собой можно лишь при точной привязке к конкретному электронному прибору. Далее, при переходе к практическому применению решающую роль играют такие факторы, как совокупность известных для избранного материала технологий и стыкуемость с другими материалами в составе микроэлектронных схем. Экономические ограничения также весьма немаловажны. Приведу общеизвестный пример. Быстродействие электронной схемы во многом определяется скоростью движения носителей заряда по кристаллической решётке. Физики называют это подвижностью носителей (электронов или дырок). Так вот, в германии она значительно выше, чем в кремнии, соответственно при прочих равных условиях компьютер на германиевых микросхемах будет работать в разы быстрее. Однако этого не будет никогда по очень простой причине – германия на Земле очень мало, и экономически невыгодно создавать германиевую микроэлектронику. А кремния много – наша планета просто из него сделана. Во многом именно этот фактор в свое время определил выбор в пользу кремния.

Вернёмся к молибдениту. Определённый ответ на ваш вопрос дать невозможно, так как свойства кремния и молибденита слишком различны. Кристаллическая решетка кремния относится к каркасному типу, и он принципиально не может обладать рядом свойств, которые типичны для слоистых материалов. С другой стороны, кремний механически жёсткий, и из него делается (и будет делаться в обозримом будущем) основа современных микросхем – подложки. Молибденит с точки зрения механических свойств больше похож на плотную пачку бумажных листов и совершенно непригоден для использования в качестве несущих конструкций. Про более тонкое сравнение электронных и оптических свойств кремния и молибденита можно говорить бесконечно. Вывод: наноэлектроника молибденита или графена будет очень отличаться от микроэлектроники кремния, а принципиальная разница в материалах всегда порождает принципиально разные приборные решения.

— Изменилось ли что-то в технологии получения графена с тех пор, как А. Гейму и К. Новосёлову дали Нобелевскую премию за исследование его свойств?

— Конечно, изменилось – ответ очевиден. Известные свойства графена весьма экзотичны и во многом крайне привлекательны по сравнению с типичными полупроводниковыми кристаллами. Двумерность графена заведомо приведёт к новым техническим решениям в наноэлектронике. Данная область физики конденсированного состояния развивается очень активно силами сотен исследовательских групп. На мой взгляд, ключевой проблемой сейчас является технология получения листиков структурно-совершенного графена значительной площади. Кроме того, необходимо научиться управлять шириной запрещённой зоны графенных материалов (у самого графена она нулевая). Что касается синтеза графенов, с одной стороны, получены площади графеноподобных плёнок на площадях, вполне сравнимых с листом бумаги формата А4. С другой стороны, площади структурно-совершенного графена ограничены единицами и десятками квадратных микрометров. Такие объекты даже исследовать сложно. Ждём дальнейших успехов в этой области.

— Начать производство электронных устройств на основе нового материала – это очень дорого. Как вы думаете, при каких условиях это будет оправдано?

— Конечно, при наличии существенного экономического выигрыша. В современной конфигурации экономики это называется «ожидаемый процент прибыли». В электронике таким спусковым крючком обычно служит создание принципиально нового типа электронного прибора. Если такого прорыва не получается, то внедрение нового материала сильно растягивается во времени или вообще не происходит ввиду экономической нецелесообразности. Примеров тому масса, и не только в микроэлектронике. Возьмем автомобильную промышленность. Все знают, что двигатель внутреннего сгорания, установленный во многих сотнях миллионов автомобилей, является главным фактором загрязнения атмосферы Земли. Однако Солнце сквозь автомобильную копоть ещё видно, и соответственно автомобили продолжают выпускать в огромном количестве, поскольку с их производством и эксплуатацией связаны гигантские финансовые ресурсы. Тут уже вся экономика и политика вынуждена подстраиваться под нужды автомобильной индустрии. А финансовый сектор микроэлектроники в современном мире также немал.

— Насколько сложна технология получения молибденита?

Рис. 4. Кристалл GaSe, легированный
серой (СФТИ, Томск)

— Смотря какого. Природный минерал получить просто – приезжаете на его месторождение и выкалываете пласт молибденита из лежащей под ногами породы. Для микро- и наноэлектроники необходимо несколько иное. Принципиально важны высочайшая химическая чистота и структурное совершенство кристалла на атомарном уровне. Только тогда становится возможным проявление тех специфических электронных свойств, которые ожидаются для двумерной кристаллической решётки молибденита. Такой молибденит полупроводникового качества может быть получен либо при выращивании искусственных объёмных кристаллов, либо методами эпитаксиальных технологий. Насколько мне известно, оба указанных подхода сейчас активно разрабатываются, и результатов исследований следует ожидать в ближайшие годы. Методы выращивания монокристаллов слоистых сульфидов давно известны, однако их надо адаптировать применительно к молибдениту. В частности, необходимы сверхчистые реактивы молибдена и серы, требуется точное поддержание заданного соотношения молибдена и серы в выращиваемом кристалле, нужно изолировать растущий кристалл от воздушной атмосферы, необходимо разобраться с возникающими при росте дефектами. На всё это требуется время. Те же проблемы и с эпитаксиальными высоковакуумными технологиями.

— Если говорить об электронике на молибдените – чем она будет отличаться от электроники на кремнии?

— Если такая электроника будет, то она будет не «лучше» или «хуже», она будет просто «иная». Первопричина состоит в главной особенности слоистых материалов. Пусть вы знаете электронные свойства объёмного графита или молибденита. Допустим, что после этого вы справились с задачей аккуратного отделения индивидуального атомного слоя и получили графен или слой молибденита. Так вот, электронные свойства такого слоя могут быть принципиально другими по сравнению с характеристиками объёмного материала! В частности, вместо полупроводника можно увидеть свойства металла или полуметалла. Резко меняются свойства носителей заряда. Многие привычные параметры объёмного кристалла вообще теряют физический смысл. В качестве упражнения попробуйте определить цвет или плотность графена. Графит чёрный, а графен прозрачный!

— Какие исследования в области полупроводников для электроники ведутся в России? Например, какие материалы изучают в вашем институте?

— В настоящее время в России в той или иной мере исследования ведутся по всем основным направлениям физики полупроводников. Отмечу, однако, что постепенно спектр исследований в России по сравнению с мировым уровнем сужается из-за малой численности учёных и ограниченных финансовых ресурсов. Наш институт является одной из лидирующих исследовательских организаций в области физики полупроводников. Здесь ведутся исследования самых разных полупроводниковых материалов, включая известные кремний, германий, арсениды галлия и индия. Однако этим набором спектр материалов не ограничивается. В последние годы мы занимаемся методами синтеза графена и родственных ему материалов, узкозонными материалами класса теллуридов, целым спектром нелинейно-оптических кристаллов, методами получения наноразмерных плёнок металлов и диэлектриков. То есть спектр исследуемых материалов весьма широк. Что касается исследований именно графеноподобных материалов, то только в нашей Лаборатории оптических материалов и структур в настоящее время исследуются такие слоистые материалы, как кристаллы GaSe и GaS, применяемые в нелинейной оптике инфракрасного диапазона, топологические изоляторы Bi2Se3 и Bi2Te3, оксидные слоистые кристаллы α-MoO3, WO3, V2O5, шеелиты ZnWO4 и CdWO4. Некоторые кристаллы из этого набора показаны здесь на картинках. Все эти вещества крайне своеобразны и интересны. Они, очевидно, не претендуют на замещение кремния в микроэлектронике, но эти функциональные кристаллы за счёт сопряжения с традиционными материалами резко расширяют возможности приборостроения, в том числе и на уровне наноэлектроники.

— За изучение свойств графена в прошлом году дали Нобелевскую премию. Можно ли ожидать, что изучение свойств молибденита тоже будет отмечено этой высокой наградой?

Рис. 5. Слоистая структура кристалла
GaSe в электронном микроскопе
(ИФП СО РАН, Новосибирск).

— Два раза за один и тот же эффект давать Нобелевские премии не принято, так что такая премия за исследования молибденита крайне маловероятна. Не думаю, что в этом материале найдут что-то принципиально новое по сравнению с эффектами, свойственными слоистым полупроводниковым кристаллам в целом.

Если оценивать общую вероятность получения в ближайшие десятилетия Нобелевской премии учёными из России, а такая тема всегда возникает в связи с Новосёловым, то я отношусь к этому крайне скептически. Если помните, то в Россию такие премии вообще не попадали за достижения в передовых технологиях. Обычно такого рода признание происходило в режиме постфактум, как это было, в частности, при получении премии Ж.И. Алфёровым, то есть много лет спустя после собственно демонстрации полупроводникового лазера. Общий достаточно высокий уровень науки в России был создан за несколько десятилетий после Великой отечественной войны, и создан во многом благодаря высочайшим стандартам школьного и вузовского образования. В настоящее время наука держится силами учёных, получивших образование в так называемую брежневскую эпоху. В последние двадцать лет после Перестройки стандарты вузовского и особенно школьного образования неуклонно снижаются. Сюда нужно добавить крайне низкую технологическую и аналитическую оснащенность большинства исследовательских лабораторий России, однозначно слабое финансирование. Есть ещё целая совокупность второстепенных механизмов, снижающих эффективность исследовательского процесса в России. Все эти факторы в совокупности делают малой вероятность получения Нобелевской премии в области прорывных нанотехнологий учёными, работающими в России.

— В целом как вы оцениваете результаты, изложенные в статье?

— Молибденит никогда не заменит кремний в микроэлектронике. Однако данный новый материал вполне способен расширить рамки возможного в наноэлектронике вообще. Суть рассматриваемой статьи состоит в том, что авторам удалось отделить монослой молибденита с площадью, достаточной для создания работоспособной приборной структуры. Это хорошее достижение, но не более. Для меня очевидно, что успех данного эксперимента в первую очередь обеспечивался имеющимся у авторов оборудованием высочайшего класса. В результате удалось отделить слой молибденита, осуществить манипулирование такими слоями и закрепить их на подложке, создать качественную электродную структуру для контакта. В принципе, ничего волшебного, просто данная работа была выполнена на уровне наноискусства.