Репертуар нанометровой электроники расширяется

Чип с MoS2-транзистором между эмиттером (source) и коллектором (drain), внизу слои диоксида циркония и кремния (silicon), а вправо вниз отходит углеродная нанотрубка диаметром 1 нм (gate).

Сотрудникам Национальной лаборатории в Беркли (пригород Сан-Франциско) и Станфордского университета с помощью углеродных нанотрубок удалось преодолеть один из законов квантовой физики при создании чипов с транзисторами.

«Чип» в переводе с английского означает «щепка», то есть нечто плоское и тонкое (chipped и chopped – нечто разделанное или нарезанное, например колбасные кружки или отбивные, а chopper – легкий вертолет, нарезающий круги своими тонкими лопастями). Кремниевый чип объединяет в себе подложку для наносимых на нее слоев логической схемы и в то же время полупроводниковый материал, без которого трудно представить себе транс-резистор, или «гуляющее», перемещающееся сопротивление (от resist, resistance).

Электрическую схему всем знакомого транзистора изображают в виде буквы английского алфавита Y, в вершине которой слева находится эмиттер-испускатель (ср.: эмиссия денег) электронов и/или положительно заряженных «дырок». Против него располагается дренажный коллектор, «собирающий» то, что приходит на него в результате «пробоя» полупроводника. Внизу, или в базе (ручка этой «рогатки»), открыты или закрыты «ворота», размер которых, исходя из расчетов квантовых физиков, не может быть меньше 5 нанометров (нм). В противном случае транзистор начинает «протекать», что крайне нежелательно.

Помимо многих других ограничений «вратный» лимит вот уже более десятилетия ограничивает дальнейшую миниатюризацию чиповых схем. В результате – некоторое торможение дальнейшего прогресса в микроэлектронике, которая вроде бы давно уже готова стать наноэлектроникой.

Нобелевская премия 2016 года по физике была вручена трем ученым, которые разработали весьма ценную для практики теорию топологических переходов в монослойных пленках. Речь идет о монослоях материалов, например, широко используемого в качестве добавки к моторным маслам дисульфида молибдена (MoS2). Толщина таких монослоев сравнима с таковой у биологических мембран. Можно добавить, что свойства MoS2 активно исследуются с целью создания на его основе новых лазеров, светодиодов (LED), солнечных батарей и нанотранзисторов.

Проблема, однако, в том, что даже использование подобного рода пленок не позволяет сделать базовые ворота тоньше 20 нм. Этим обусловлены возможности рынка. Для сравнения: толщина волоса человека 50 тыс. нм.

В Беркли и Станфорде для решения проблемы стали использовать однослойные нанотрубки (SWCN – Single-Walled Carbon Nanotubes), которые позволили уменьшить сечение ворот до 1 нм! Известно, что транзистор работает как переключатель, при этом электроны «текут» сквозь кремний быстрее, нежели через дисульфид молибдена. До сих пор прочность ворот ограничивается квантовым законом туннелирования – возникновения туннеля, по которому электроны напрямую «протекают» от эмиттера к коллектору. Квантовое туннелирование, например, лежит в основе работы сканирующего туннельного микроскопа.

Алмазная нанонить, получаемая путем сжатия отдельных бензольных колец (слева). Иллюстрации Physorg

Решение проблемы – в уменьшении размера ворот. Но сделать это никому не удавалось. При толщине монослоя MoS2 всего лишь 0,65 нм материал может эффективно сохранять электрическое поле. Но современная электроника с ее литографией плохо справляется с подобного рода масштабами. Вот почему нанотехнологи обратили свои взоры к углеродным нанотрубкам, не требующим напыления и «печати» для своего производства. Вместе с тем они весьма эффективно контролируют ток электронов в молибденовом полупроводнике. Теперь остается только разработать новые «сборочные» линии по производству микросхем нового масштаба. Сообщение об этой работе опубликовано в журнале Science.

Возможно, что транзисторы на основе полупроводникового дисульфида молибдена станут конкурировать с алмазными нанонитями, о получении которых было впервые сообщено в мае 2015 года. Атомы углерода в них «упакованы» как в алмазе, поэтому их технологический потенциал вполне сравним с углеродными нанотрубками. Алмазные нанотрубки имеют в своей структуре шестигранные «окна», называемые вакансиями, или дефектами, в которых могут прятаться атомы водорода.

Особенность нанонитей – они могут давать связи с молекулами полимеров, что может быть использовано для создания устройств, требующих повышенной теплопроводности (отведения избыточного тепла), вариабельности механических свойств и т.д. Преимуществом алмазных нитей является то, что их создают путем механической компрессии бензольных колец. Можно только представить себе те перспективы, которые сулит нанометровая электроника нового поколения и молекулярных масштабов.