Атом за атомом: как двумерные материалы меняют будущее чипов

Современная микроэлектроника по-прежнему держится на двух фундаментальных столпах — логике и памяти. И у обеих есть общий «кирпичик», из которого собираются все схемы: кремниевый полевой транзистор металл–диэлектрик–полупроводник. Почти полвека прогресс в этой области выглядел просто — транзисторы становились все меньше. Но в начале XXI века этот путь уперся в жесткие физические ограничения самого кремния.

Ключевым элементом классического полевого транзистора долгое время служил подзатворный диэлектрик — диоксид кремния SiO₂. Его главное достоинство заключалось в технологической простоте: слой оксида получали путем контролируемого окисления поверхности кремниевой подложки. Такой диэлектрик выходил одновременно ультратонким и исключительно качественным, что позволяло десятилетиями уменьшать размеры транзисторов без радикальной смены технологии.

Однако к началу 2000-х эта стратегия исчерпала себя. Уже в 2001 году толщина подзатворного слоя SiO₂ измерялась буквально в атомах. Диаметр атома кремния составляет около 0,26 нанометра, и в слое толщиной 1,3 нанометра помещалось не более пяти атомов. Для электронов такая «стена» перестала быть непреодолимой: на этих масштабах вступают в силу квантовые эффекты, и носители заряда начали туннелировать сквозь изолятор. Это привело к росту токов утечки, нагреву микросхем и резкому падению энергоэффективности устройств.

Проблема оказалась системной. Частоты процессоров перестали расти выше примерно 4 ГГц, а дальнейшее повышение производительности пошло не за счет ускорения, а за счет увеличения числа ядер.

HKMG, FinFET и GAAFET

Первым серьезным ответом индустрии стал переход к технологии high-k / metal gate (HKMG). В 2007 году Intel внедрила в массовое производство транзисторы, где вместо SiO₂ использовались диэлектрики с высокой диэлектрической проницаемостью — прежде всего оксиды гафния. Это позволило увеличить физическую толщину изолятора без потери управляющих свойств.

Цена успеха была высокой: технологический процесс усложнился. Вместо простого окисления кремния понадобилось наносить тонкие слои материалов методом атомно-слоевого осаждения. Одновременно пришлось отказаться от кремниевого затвора и перейти к металлическому, поскольку традиционное легирование перестало работать корректно.

«К сожалению, и путь HKMG оказался конечным, — объясняет Андрей Маркеев, руководитель группы атомно-слоевого осаждения ЦКП МФТИ. — В планарных кремниевых транзисторах удалось дойти до длины канала около 20 нанометров. Дальше вмешивается фундаментальная физика. В уравнении Пуассона есть параметр — характерная длина экранирования, которая зависит не только от диэлектрика, но и от толщины самого полупроводника».

Выход нашли, радикально изменив геометрию транзистора. Так появилась технология FinFET, где канал стал тонким вертикальным «плавником», а затвор обхватывал его с трех сторон. Следующим шагом стали структуры GAAFET — «затвор со всех сторон», где канал полностью окружен управляющим электродом.

«Это уже канал порядка 10 нанометров, — говорит Маркеев. — Освоили такую технологию всего несколько компаний: Intel и TSMC. Она значительно сложнее FinFET».

Но даже эти решения остаются в рамках объемного кремния — материала, который по своей природе плохо переносит экстремальное утончение. Нанометровые слои оказываются неровными, а шероховатости поверхности становятся сравнимы с толщиной самого канала, что делает дальнейшую миниатюризацию бессмысленной.

Именно поэтому столь большой интерес вызвало открытие графена — материала, который изначально существует в виде идеально плоского атомарного слоя. Однако довольно быстро стало ясно, что графен — полуметалл, а не полупроводник: «пережать» ток в нем так же, как в кремнии, невозможно.

Зато графен открыл дорогу целому классу двумерных материалов. Сегодня в центре внимания — дихалькогениды переходных металлов (ДПМ): дисульфид молибдена, диселенид вольфрама и родственные соединения. Их кристаллы состоят из мономолекулярных слоев, связанных ван-дер-ваальсовыми силами, и при этом они являются полноценными полупроводниками.

«Еще несколько лет назад казалось, что это чисто университетская наука, — говорит Маркеев. — Но сейчас Intel, TSMC и IMEC всерьез инвестируют в эту технология. Есть признаки того, что микроэлектроника может перейти на атомарный уровень — и это будет революция, сопоставимая с переходом к кремнию».

Первый транзистор на основе ДПМ был создан в лаборатории еще в 2011 году. Сверхтонкий слой дисульфида молибдена перенесли на подложку и покрыли оксидом гафния, используя уже хорошо освоенное атомно-слоевое осаждение. Получился классический планарный транзистор n-типа.

Чтобы двумерные материалы вышли за пределы лабораторий, необходимо решить три ключевые задачи:

• научиться бездефектно выращивать строго атомарные слои на пластинах промышленного масштаба;
• обеспечить качественные омические контакты с низким сопротивлением;
• реализовать как n-, так и p-тип транзисторов.

С последним пунктом связаны особые трудности. В отличие от кремния, двумерные материалы невозможно легировать ионным облучением — ионы просто проходят сквозь атомарный слой. Однако оказалось, что разные ДПМ естественным образом формируют разные типы проводимости: MoS₂ подходит для n-каналов, а WSe₂ — для p-каналов. Это дает надежду на создание комплементарных схем.

В 2025 году китайские исследователи сообщили в журнале Nature о создании 32-битного процессора на основе одного атомарного слоя MoS₂. Он работает на килогерцевых частотах и сильно уступает кремниевым аналогам, но это уже полноценный процессор с архитектурой RISC-V, изготовленный с использованием совместимых с CMOS технологий.

Наконец, двумерные материалы дают микроэлектронике еще одно важное преимущество: их можно относительно просто переносить поверх уже готовых схем. Это открывает путь к многоуровневым устройствам, где транзисторы буквально «укладываются этажами», приближая индустрию к освоению третьего измерения.

Но прежде чем выйти в объем, микроэлектронике предстоит научиться решать задачи на плоскости.

Источник: Задачи на плоскости — За науку