Скрытый атомный разрыв может сломать чипы нового поколения

2D-проводник и диэлектрический слой: неизбежный зазор между ними существенно меняет электронные свойства. Credit: TU Wien

В течение десятилетий уменьшение и повышение мощности электронных компонентов стимулировало крупные технологические прорывы. Сейчас ученые ищут следующий прорыв в дизайне компьютерных чипов, и многие исследователи считают, что ключевую роль могут сыграть 2D-материалы. Эти сверхтонкие материалы, состоящие всего из одного или нескольких атомных слоев, рассматривались как перспективные кандидаты для создания еще более миниатюрных электронных устройств.

Однако новое исследование Венского технического университета (TU Wien) показывает, что многие из этих материалов могут работать не так, как ожидалось, в реальной чиповой технологии. Проблема не только в самом материале. Ученые обнаружили, что при сочетании 2D-материалов с изолирующими слоями, необходимыми для электронных устройств, между ними образуется неизбежный зазор атомного масштаба. Это крошечное разделение может значительно снизить производительность и создать фундаментальное препятствие для дальнейшей миниатюризации.

Результаты могут помочь полупроводниковой промышленности избежать затрат в миллиарды долларов на подходы, которые, возможно, никогда не смогут преодолеть эти физические ограничения.

Почему интерфейсы имеют значение в 2D-электронике

«В течение многих лет исследователи были совершенно справедливо очарованы замечательными электронными свойствами новых 2D-материалов, таких как графен или дисульфид молибдена, — говорит профессор Махди Пурфат (Mahdi Pourfath), проводивший исследование вместе с профессором Тибором Грассером (Tibor Grasser) из Института микроэлектроники TU Wien. — Однако часто упускается из виду, что 2D-материал сам по себе не создает электронное устройство. Нам также нужен изолирующий слой — обычно оксид. И вот здесь все становится сложнее с точки зрения материаловедения».

Современные транзисторы работают, переключая полупроводник между проводящим и непроводящим состояниями. В будущих чипах таким полупроводником может стать сверхтонкий 2D-материал. Процесс управляется затворным электродом, который должен быть отделен от активного материала изолирующим слоем.

Чтобы устройства были максимально маленькими и эффективными, изолирующий слой должен быть чрезвычайно тонким. Однако команда TU Wien обнаружила, что это создает серьезную проблему на атомном уровне.

Крошечный зазор, создающий большую проблему

«Во многих комбинациях 2D-материалов и изолирующих слоев связь между ними относительно слабая, — объясняет Грассер. — Они удерживаются вместе только так называемыми силами Ван-дер-Ваальса, которые обеспечивают лишь слабое притяжение между полупроводником и изолятором. В результате два слоя не входят в тесный контакт — между ними всегда есть зазор».

Этот зазор составляет всего около 0,14 нанометра, что тоньше одного атома серы. Несмотря на это, он оказывает драматическое влияние на электронное поведение. Для сравнения, вирус SARS-CoV-2 примерно в 700 раз больше.

«Этот зазор ослабляет емкостную связь между слоями. Какими бы хорошими ни были внутренние свойства материалов, зазор может стать ограничивающим фактором. Пока он существует, он накладывает фундаментальное ограничение на то, насколько эти устройства могут быть миниатюризированы».

По словам исследователей, многие исследования были сильно сосредоточены на впечатляющих свойствах самих 2D-материалов, уделяя меньше внимания интерфейсам, образующимся внутри готовых устройств. Их работа показывает, что эти интерфейсы могут в конечном итоге определить, будут ли будущие чиповые технологии успешными или нет.

«Материалы-молнии» могут предложить решение

«Если полупроводниковая промышленность хочет добиться успеха с 2D-материалами, активный слой и изолирующий слой должны разрабатываться вместе с самого начала, — подчеркивает Махди Пурфат. — Один из возможных ответов — использование так называемых «материалов-молний». В таких системах полупроводник и изолирующий слой связываются друг с другом гораздо прочнее, вместо того чтобы оставаться слабо соединенными силами Ван-дер-Ваальса. Это более плотное соединение устраняет проблемный зазор».

«Наша работа — хорошая новость для полупроводниковой промышленности, — говорит Тибор Грассер. — Мы можем предсказать, какие материалы подходят для будущих этапов миниатюризации, а какие — нет. Но если сосредоточиться только на самих 2D-материалах, с самого начала не принимая во внимание неизбежные изолирующие слои, существует риск инвестировать миллиарды в подход, который просто не может быть успешным по фундаментальным физическим причинам».

Источники:

Материалы предоставлены Венским техническим университетом.

Mahdi Pourfath, Tibor Grasser. Device-scaling constraints imposed by the van der Waals gap formed in two-dimensional materials. Science, 2026; DOI: 10.1126/science.aeb2271