Пост-кремний. Часть 2. Технологии, которые придут на смену CMOS: альтернативные материалы

В первой части «Пост-кремния» мы поговорили о самой перспективной технологии, способной заменить CMOS, — наноэлектромеханических переключателях. Теперь давайте познакомимся более подробно с альтернативными материалами, на основе которых могут быть созданы инновационные интегральные решения будущего.

Кремний настолько давно применяется в производстве полупроводниковой продукции, что многие даже не предполагают, что вместо него можно использовать какие-либо другие материалы. А ведь это проще, чем создавать принципиально новую архитектуру чипов! В последние годы активно ведутся исследования иных материалов, способных впоследствии прийти на смену кремнию. Основными из них являются графен, германий и молибденит. О них и пойдет речь далее.

Графен

С течением времени список материалов, способных заменить кремний, расширяется. Но как бы то ни было, самым перспективным из них является графен. Интересно, что графен считается достаточно «молодым» материалом: способ его получения был открыт не так давно — всего 9 лет назад. За открытием стояли британские ученые российского происхождения: Андрей Гейм и Константин Новосёлов. К слову, за свое достижение Гейм и Новосёлов в 2010 году получили Нобелевскую премию, а королева Великобритании присвоила им рыцарские звания.

Что это за материал? Он состоит из одного слоя атомов углерода и может быть получен из графита — точно такого же графита, который используется в простых карандашах. Его основными преимуществами считаются такие характеристики, как прочность, теплопроводность и гибкость. Графен более прочный материал, нежели алмаз. К тому же он имеет лучшую теплопроводность, чем медь. По этому параметру его также сравнивают с кремнием, однако в отличие от четырнадцатого элемента периодической таблицы элементов Д. И. Менделеева электропроводность графена намного более эффективная. Вдобавок ко всему, он более гибкий, нежели кремний, и даже более гибкий, чем резина. Благодаря своей однослойной структуре его можно легко растягивать и изгибать. К его преимуществам стоит отнести и то, что материал хорошо противостоит различного рода разрушениям под воздействием внешних процессов.

Источник изображения

Такие выдающиеся характеристики и обусловили то, что графен имеет огромный потенциал в использовании в различных устройствах. Он электрически совместим со многими другими материалами, в том числе и с кремнием. Это делает возможным его использование в гибридных устройствах.

Пока что одним из недостатков графена является его стоимость. Некоторые американские компании продают его по цене 60 долларов за квадратный дюйм. По мнению разработчиков, для налаживания массового производства стоимость графена для транзисторов не должна превышать отметки 1 доллар за квадратный дюйм, а для тачскрин-дисплеев — и вовсе 10 центов.

Потенциальная область применения графена огромна. Материал можно применять в производстве аккумуляторов, дисплеев, батарей, наушников и других устройств. Интересно, что сфера применения графена отнюдь не ограничивается электроникой. С его помощью можно будет получить новые, более прочные и легкие материалы для техники (например, автомобилей и самолетов). Также его будут использовать в биомедицине. Однако в свете нашего материала самым важным является то, что графеновые транзисторы могут стать заменой кремниевым.

Почему же именно «могут»? Дело в том, что благодаря химической структуре графена, электроны «пробегают» по его атомной решетке быстро и почти без какого-либо сопротивления. Теоретически это обеспечит стабильную работу транзисторов на очень высоких частотах и быстрый обмен данными между чипами. Однако в то же время это является ахиллесовой пятой графена. Из-за своих свойств материал в его изначальном состоянии возможно использовать исключительно в качестве проводника и изолятора, но для возможности применения графена в транзисторах и электронике в целом необходимо его функционирование как полупроводника. К настоящему времени проблема полупроводниковых свойств графена решена лишь частично.

Производство графена

С 2004 года было освоено несколько методов производства графена, однако основными из них считаются следующие три:

• Механическая эксфолиация (Mechanical Exfoliation);
• Эпитаксиальный рост в вакууме (Vacuum Epitaxial Growth);
• CVD-процесс (Chemical Vapor Deposition, или химическое парофазное осаждение).

Механическая эксфолиация — это самый простой метод получения графенового слоя. Он предусматривает использование специального высокоориентированного пиролитического графита (HOPG, Highly Oriented Pyrolytic Graphite), который располагается на клейкой поверхности изоляционной ленты. Затем ленту начинают сгибать и разгибать, как лист бумаги. Тем самым графен «отпечатывается» на противоположной стороне листа, то есть получается все больше и больше тонких слоев материала. Процесс продолжается до тех пор, пока не остается один или несколько слоев графена.

Схема механической эксфолиации: слои графена (Graphene Flakes), сгибание (Folding Process) и разгибание (Unfolding Process) изоляционной ленты

Интересно, что по своему качеству полученный графен является лучшим в сравнении с другими методами. Тем не менее, несмотря на свою простоту, в результате механической эксфолиации получается малое количество материала, что делает процесс непригодным для массового производства.

В методе эпитаксиального роста используется тонкая кремниевая пластина, на которой размещается карбид кремния. С применением высоких температур вплоть до 1000 К атомы кремния и углерода отделяются друг от друга. Затем под воздействием тепла атомы кремния испаряются, и на подложке остаются лишь атомы углерода, которые образуют графен.

Недостатком эпитаксиального роста является то, что во время процесса, как правило, из-за высокой температуры некоторое количество углерода просто сгорает. Из-за этого данный метод считается не очень надежным.

Источник изображения

О CVD-процессе мы уже упоминали в первой части нашего материала, когда шла речь о производстве наноэлектромеханических переключателей. Прежде всего, стоит отметить, что из всех вышеперечисленных методов CVD-процесс является наиболее приспособленным для массового производства благодаря своей простоте и невысокой стоимости. При этом он позволяет производить монослойный графен больших размеров. В CVD-процессе протекают химические реакции между углеводородными газами (например, H₂ и CH₄) и металлическим покрытием-катализатором под воздействием высоких температур.

Металлы способствуют разрушению химических связей в углероде и упорядочивают его атомы в гексагональную решетку. Таким образом получается графен. Заметим, что чем больше по площади металлическое покрытие, тем больше будет получено графена. Интересно, что с этого покрытия легко переносить графен на другие подложки.

Единственным, но существенным недостатком CVD-процесса является пониженная эффективность графена в сравнении с графеном, произведенным с помощью эпитаксиального роста.

Как сделать графен полупроводником

Перед тем как использовать графеновые транзисторы в процессорах и микросхемах в качестве замены кремниевым, необходимо «научить» графен работать как полупроводник. В этом направлении сейчас ведутся основные разработки. О самых интересных из них и пойдет речь.

Прежде всего, разберемся, благодаря чему материалы могут вести себя как полупроводники. Любой полупроводник характеризуется своим ключевым свойством, которое называется шириной запрещенной зоны (bandgap). Ширина запрещенной зоны измеряется в электронвольтах и представляет собой количество энергии, при достижении которого материал начинает вести себя как проводник. До этой отметки материал выступает в роли изолятора.

Проблема графена заключается в том, что ширина запрещенной зоны у него вовсе отсутствует, и он всегда ведет себя как идеальный проводник. Поэтому в своем изначальном состоянии графен не приспособлен к использованию в транзисторах, где необходимы его полупроводниковые свойства.

В 2011 году компания IBM уже демонстрировала в работе опытный образец самого быстрого графенового транзистора, функционирующего на частоте 155 ГГц. Транзистор был разработан совместно с оборонным агентством DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency), которое очень заинтересовалось исследованиями в этой области.

Источник изображения

Решение IBM было изготовлено на улучшенной подложке с применением алмазоподобного углерода. Интересно, что транзистор продемонстрировал стабильную работу при экстремально низкой температуре -268 градусов Цельсия. Исследователи назвали ее «температурой гелия». Примечательно и то, что размер транзистора составлял всего 40 нм! По словам представителей IBM, их решение было изготовлено с помощью стандартных производственных технологий.

В том же 2011 году ученые из Колумбийского университета в Нью-Йорке также сумели наделить графен полупроводниковыми свойствами. В ходе получения графена посредством CVD-процесса в смесь метана и водорода был добавлен аммиак. Образованный графен имел в своей кристаллической решетке инородные атомы азота. Их электроны образовали три электронных облака с тремя соседними атомами углерода.

Источник изображения

При наблюдении под туннельным микроскопом было обнаружено, что атомы азота действительно вытеснили из решетки некоторые атомы углерода и встали на их место. В сравнении с атомом углерода, атом азота имеет еще один валентный электрон, что позволило графену стать полупроводником.

Текущий 2013 год оказался богат на успешные исследования в области полупроводниковых свойств графена. В мае группа физиков из Массачусетского технологического университета провела эксперимент, в ходе которого расположили графен на нитриде бора.

Источник изображения

В результате ученые получили гибридный материал с достаточной шириной запрещенной зоны для использования в транзисторах. Этого удалось достичь, совместив лучшие свойства обоих материалов: электропроводность графена и изоляционные качества нитрида бора. Для идеальной работы гибридного материала ученым пришлось выравнивать кристаллические решетки как графена, так и нитрида бора, которые представляют собой ряд связанных шестиугольников.

В процессе соединения этих веществ могут возникать определенные трудности. Связаны они с загрязнением получаемого материала, которое сводило на нет все его преимущества. Решением проблемы стало подсоединение нитрида бора к графену не сверху, а сбоку.

Удивительнее всего то, что свойствами результирующего гибридного материала можно управлять, изменяя углы пересечения кристаллических решеток нитрида бора и графена. Это позволит создавать материалы с различными электрическими характеристиками. Тем не менее, на данном этапе ширина запрещенной зоны недостаточна для использования вещества в массовом производстве электроники, за исключением оптоэлектронной сферы (например, таких приборов, как фотодетекторы).

Несколькими месяцами позднее ученые из университета Калифорнии представили дизайн полностью графенового электронного чипа. Его отличительная особенность заключается в том, что все его составляющие, в том числе и транзисторы, «бесшовно» расположены на графене. Другими словами, чип был как будто «выточен» из графена.

Источник изображения

Исследователи заметили, что управлять шириной запрещенной зоны можно с помощью увеличения и уменьшения ширины графеновых полос: узкие полосы работают как полупроводники, а более широкие — как проводники. К сожалению, архитектура графенового процессора так и осталась на бумаге: до создания опытного образца дело пока что не дошло.

Еще одним примером обретения графеном полупроводниковых свойств является так называемый «волнистый» графен. Идея такого решения принадлежит ученым из Корнеллского университета. В своих экспериментах они использовали не традиционный монослойный графен, а два слоя вещества.

Источник изображения

Уже долгое время высказывались предположения о том, что двухслойный графен может иметь полупроводниковые свойства. В данном случае один из слоев вещества был плоским, а другой имел волнистую форму. Результат эксперимента, по сути, подтвердил выдвинутые ранее предположения о двухслойном графене. Волнистый слой выступил в роли проводника, а плоский — в роли полупроводника.

Перспективы графена

И несколько слов о перспективах графена: как практических, так и финансовых. Помимо традиционных полевых транзисторов, этот материал может использоваться в большом количестве иных электронных устройств.

Микросхемы памяти. В 2008 году был представлен экспериментальный образец запоминающего устройства, состоящий всего лишь из 10 атомов графена. Графеновая память чрезвычайно экономична: для кодирования 1 бита информации ей требуется примерно в миллион раз меньше энергии, чем современным кремниевым чипам. Ячейки памяти также имеют меньшие размеры. В теории это позволит создавать намного более емкие чипы памяти. Еще одной отличительной особенностью графеновой памяти является ее устойчивость к радиационному излучению и ее работа в диапазоне температур от -75 до 200 градусов Цельсия. Благодаря использованию графена также были созданы гибкие прозрачные модули памяти. В основе архитектуры прозрачной памяти лежит использование графена и оксида кремния.

Источник изображения

Сам модуль памяти представляет собой лист пластика, на который нанесены полоски диоксида кремния. На них сверху и снизу наносятся слои графена, которые считывают и записывают информацию. При подаче напряжения на один из электродов на место диэлектрика (диоксида кремния) становится проводник в виде кремния. А при подаче напряжения на другой электрод проходит обратная операция. При этом коэффициент прозрачности памяти составляет около 90%. Интересно, что ранее прозрачная память не хранила информацию при отключении от источника питания: в данном случае ячейки теряли электрический заряд при взаимодействии с фотонами видимого света, однако проблема была решена путем адаптации к устройству технологии резистивной оперативной памяти.

Аккумуляторы. Необходимость в более емких, быстрозаряжающихся и при этом сохраняющих малые размеры аккумуляторов велика как никогда ранее. Компания Vorbeck Materials недавно заявила о производстве литиевых батарей с применением графеновой технологии Vor-X. Ее применение позволит сократить время зарядки телефонных батарей до нескольких минут!

Графеновые батареи смогут быть гибкими. Все та же компания Vorbeck планирует вшивать гибкие батареи в лямки рюкзака, чтобы подключать к ним мобильные устройства прямо в пути.

Источник изображения

Не стоит забывать, что емкие аккумуляторы будут крайне полезны и в других сферах — например, в автомобилестроении, где в последние годы активно развивается рынок гибридных машин.

Тачскрины и дисплеи. В скором времени графен может сменить оксид индия-олова — прозрачный проводник, который используется в производстве тачскринов и дисплеев. В сравнении с оксидом индия-олова графен обладает намного меньшим сопротивлением, а также большей прозрачностью. Так, степень его прозрачности достигает 98%, тогда как оксид индия-олова пропускает до 85% света. Стоимость графенового дисплея также будет ниже, чем решения с использованием стандартных материалов.

Источник изображения

Графен считается основой такой инновационной разработки, как туннельные транзисторы (TFETS). Принцип работы такого транзистора в корне отличается от традиционного полевого MOSFET. Функционирование TFETS-транзисторов основано на эффекте туннелирования. По-научному, он представляет собой возможность преодоления электроном потенциального барьера в случае, когда энергия электрона ниже «высоты» этого барьера. Так, при эффекте туннелирования для приведения электрона в движения требуется гораздо меньше энергии, чем в случае классических полевых транзисторов, то есть для переключения состояний транзистора необходимо меньшее напряжение. Это значит, что энергопотребление туннельных транзисторов значительно меньше энергопотребления MOSFET-решений.

Архитектурной особенностью TFETS является то, что для производства их немногочисленных лабораторных образцов пригоден только графен. Более того, этот материал для туннельных транзисторов специально выращивался послойно с применением других веществ, таких как дисульфид молибдена и нитрид бора.

В целом о перспективах TFETS-транзисторов говорить пока что очень рано. Подавляющее их большинство работает исключительно при очень низких температурах. Поэтому исследователям предстоит проделать огромный объем работ для того, чтобы наладить массовое производство туннельных транзисторов.

Что касается экономических перспектив графена, то сегодня в мире идет настоящая конкуренция в сфере исследования этого материала. Несмотря на то, что британские ученые стоят за открытием методов производства этого материала, сама Великобритания находится отнюдь не на первых позициях в сфере развития графена. Например, у одной компании Samsung «графеновых» патентов больше, чем у всех британских ученых вместе взятых. При этом больше всего таких патентов зарегистрировано в Китае.

В этом плане Европа значительно отстает как от Китая и Южной Кореи, так и от США. Поэтому в начале 2013 года Евросоюз выделил около 2 миллиардов евро на научные исследования, в том числе и «графеновые». Участвовать в разработке будут такие крупные компании, как Nokia, BAE Systems, Qinetiq и многие другие.

Что касается финансовой стороны рынка графена, то, по данным различных агентств, к 2018 году он вырастет до 195 миллионов долларов, а в 2023 году приблизится к отметке в 1,3 миллиарда долларов.

Германий

Многие об этом не знают, но в первых транзисторах, появившихся более 65 лет тому назад, использовался далеко не кремний, но германий. По ряду причин от использования этого материала было решено отказаться, однако исследования германия в последние годы возобновились. Так, обнаружили, что слой германия одноатомной толщины обладает в 10 раз лучшей электропроводностью, чем кремний, и в 5 раз лучшей, чем обычный германий.

«Большинство людей считают графен материалом будущего, — говорит профессор Джошуа Голбергер, под чьим началом и проходят исследования германия. — Однако именно кремний и германий — материалы настоящего. На протяжении более чем 60 лет развивались и совершенствовались технологии производства чипов из этих материалов. Поэтому мы находились в поисках форм кремния и германия с эффективными свойствами, чтобы извлечь пользу из нового материала с малыми затратами и с использованием существующих технологий».

Новой форме германия было дано название германан. Попытки создания этого материала предпринимались и ранее. Однако лишь ученым из университета Огайо удалось получить вещество в количестве, достаточном для исследования его свойств.

По своей природе германий имеет многослойную атомную структуру, где все слои соединены между собой. Сложность же получения германана заключается в том, что такой материал крайне нестабилен. Поэтому для его получения ученые использовали специальную технологию. При выращивании германия между его слоями помещались слои атомов кальция. Затем они вымывались водой, что привело к появлению свободных химических связей атомов германия. Эти свободные связи заполнялись атомами водорода, делая каждый слой германия намного прочнее. После этого ученые смогли легко отсоединить слои друг от друга, получив стабильные слои германия одноатомной толщины.

Источник изображения

Кстати, в плане стабильности германан является даже более предпочтительным материалом, нежели кремний. Причина этого кроется в том, что германан менее подвержен процессу окисления как в воздухе, так и в воде. Следовательно, в процессе производства с ним проще работать.

По результатам тестирования материала, производительность германана также выше, чем у кремния. Если говорить в цифрах, то по германану электроны движутся в 10 раз быстрее, чем по кремнию, и примерно в 5 раз быстрее, чем по традиционному германию. «Этот показатель является очень важным, — объясняет Джошуа Голбергер. — Чем быстрее движутся электроны по материалу, тем более мощные чипы мы сможем создавать из него. Это особенно актуально в свете дальнейшего уменьшения размеров транзисторов. Нам нужны быстрые материалы, иначе малые транзисторы попросту не будут работать».

Как и в случае с графеном, неизвестно, когда германан будет использоваться в серийном производстве и будет ли вообще. Однако дальнейшие его исследования продолжаются.

Молибденит

Еще одним материалом, который является потенциальной заменой кремнию, является молибденит. Молибденит — краткое название вещества дисульфида молибдена (MoS₂). На данный момент он широко используется при производстве металлических сплавов и смазочных материалов, однако он также обладает важными полупроводниковыми свойствами.

У кремния-полупроводника есть один недостаток: его невозможно использовать при толщине слоя вещества менее 2 нм. Технически нанесение более тонких слов возможно, однако в этом случае кремний сильно подвержен окислению, что в итоге превращает его в оксид с химической формулой SiO₂ — в обычное стекло. Учеными уже получен молибденит толщиной всего 0,65 нм, при этом производительность материала была сопоставима со слоем кремния толщиной 2 нм. Миниатюрные размеры молибденита поспособствуют созданию более компактных устройств.

Источник изображения

Использование молибденита (MoS₂) в транзисторе: затвор (top gate), исток (source), сток (drain), кремний (Silicon), оксид кремния (SiO₂), оксид гафния (HfO₂).

Интересной особенностью молибденита является то, что материал очень гибок и при этом сохраняет всю свою функциональность. По словам исследователей, молибденит можно скрутить в трубочку, но он не утратит своих свойств. Поэтому молибденит в какой-то мере способен дать новый стимул к развитию встроенных устройств.

Очень важно, что молибденит «работает» не только на бумаге: исследователи из швейцарского политехнического университета Лозанны уже создали первый рабочий чип на основе этого материала. Они же представили миру образец светочувствительного датчика, поверхность которого содержит слой молибденита. В сравнении с кремниевыми фотодиодами, которые традиционно используются в такого рода устройствах, молибденитовому датчику для электрического импульса достаточно в 5 раз меньше света. Попросту говоря, камеры с изготовленными с применением молибдена датчиками смогут делать намного более качественные снимки в условиях плохого освещения. Например, они позволят отчетливо фотографировать звездное небо. Кажется, сервис Instagram ожидает новый тренд!

Заключение

Альтернативные кремнию материалы являются очень интересным решением. Их потенциал может на определенное — вполне возможно, что и длительное, — время отсрочить появление принципиально новых архитектурных решений для транзисторов. Тем не менее, перед внедрением новых материалов инженерам предстоит пройти большой путь. Ни у графена, ни у молибденита, ни у германия нет необходимой стабильности в работе для применения их в массовом производстве. При этом не стоит забывать, что использование отличных от кремния материалов несомненно повлечет за собой изменения в производственном процессе. Поэтому, скорее всего, потребуется обновление производственных мощностей. Как бы то ни было, главное, что новые материалы открывают новые перспективы для дальнейшего развития полупроводниковой продукции.