Перспективные полупроводники будут работать на угле, но не так, как вы сначала подумали

Для наращивания производительности чипов приходится уменьшать размеры транзисторов и искать новые материалы для их изготовления. Одно без другого не работает. И будет выгодно вдвойне, если какой-либо новый материал для производства передовых полупроводников окажется недорогим, неисчерпаемым и хорошо известным учёным и производственникам. Как выяснили учёные из США, таким материалом может быть обычный уголь.

Источник изображения: The Grainger College of Engineering at University of Illinois Urbana-Champaign

Транзисторы прошли стадию дискретных элементов, интегрированных, планарных, с вертикальными затворами, с полностью окружёнными затворами и приближаются к наностраничным каналам, располагаемым горизонтально. На следующем этапе они станут двухэтажными, когда комплементарная пара будет сидеть друг у друга на голове. Примерно к 2035 году, вероятно, начнут появляться более-менее надёжные технологии массового производства транзисторов из двумерных материалов атомарной толщины. Однако появятся они только в том случае, если для них будет подготовлена база, включая спектр проводников, полупроводников и изоляторов.

Уголь в данной триаде может играть роль изолятора, как выяснили исследователи из Национальной лаборатории энергетических технологий Министерства энергетики США (NETL). Почему уголь? Потому что его много. Реально много. Добыча, транспортировка, обработка и хранение угля отлажены как ничто другое. Сегодня практика сжигать уголь для получения энергии и тепла уходит в прошлое как пережиток эпохи расцвета индустриализации. Но разом отказаться от угледобывающей отрасли тоже нельзя, поскольку это будет серьёзным ударом по экономике, промышленности и социуму. Перевести этот ископаемый ресурс в статус высокотехнологического стало бы идеальным решением. Собственно для этого была поставлена соответствующая задача коллективу NETL.

Отдельный нюанс в том, что для чипов на двумерных материалах — графене, дисульфиде молибдена и других — традиционные изоляторы из оксидов металлов подходят плохо. Оксиды металлов имеют объёмную и потому неровную поверхность, и если их стыковать с 2D-материалами, то на границе раздела получится такой сложный рельеф, что электронам это точно не понравится. Часть тока будет рассеиваться на границе перехода. Другое дело уголь. Его аморфная структура позволяет создать превосходный изолирующий слой, который почти идеально ляжет на зеркальную гладь 2D-материала.

Предложенный учёными техпроцесс нанесения изолирующих плёнок из угля выглядит достаточно простым. Уголь измельчается в порошок, после чего с помощью жидкости превращается в суспензию. После осаждения происходит сушка и полировка. Выглядит несложно и доступно для массового производства. Собственно, последующие эксперименты с углём для замены изоляторов будут направлены преимущественно на разработку технологий для массового выпуска микросхем, о чём учёные рассказали в статье в журнале Communications Engineering.

Вишенкой на торте в этой новости стала информация, что в проект с углём вложилась компания TSMC. Тайваньский чипмейкер надеется использовать эту технологию в будущих техпроцессах.