Когда кремний уже не тянет: зачем ученые встраивают графен прямо в чипы

Микросхемы — основа всех современных устройств, от смартфонов до серверов. Кремний, из которого их делают, десятилетиями был главным материалом электроники, но его возможности ограничены. С каждым годом создавать чипы меньше, быстрее и экономичнее становится все сложнее — на помощь в этом приходят «двумерные» материалы: графен, молибденит и их аналоги толщиной в несколько атомов. Недавно ученые из Университета Фудань в Шанхае показали ^[1], как встроить такие вещества в обычный кремниевый чип. Эта технология открывает новые пути в создании электроники. Что это за материалы, как они работают и почему вызывают столько интереса? Разбираемся.

Что такое двумерные материалы

Тут ларчик просто открывается: это соединения ^[2], атомы внутри которых расположены в одной плоскости и образуют большое «полотно» толщиной в один или несколько атомов. Графен, например, — слой углерода, где атомы выстроены в шестиугольную решетку, похожую на пчелиные соты. Открытый в 2004 году, он прочнее стали, отличается высокой электропроводностью, сравнимой с медью, и при этом остается гибким — качество, особенно ценное для современной электроники.

Но он не единственный супергерой среди материалов. Есть и другие. Например, молибденит ^[3], или дисульфид молибдена, идеально подходит для транзисторов благодаря полупроводниковой природе. Гексагональный нитрид бора выполняет роль изолятора, а фосфорен и другие похожие материалы обладают своими особенностями и уже применяются в самых разных областях.

Их можно настраивать буквально на уровне отдельных атомов — на такое кремний просто не способен. Но в течение долгого времени они оставались в стенах лабораторий: все упиралось в хрупкость атомных слоев и невозможность встроить их в существующие производственные процессы. Кремниевые технологии за эти десятилетия довели до совершенства, а вот совместить их с новыми материалами долго не удавалось. Ученые пытались найти решение, которое позволило бы перенести разработки из экспериментальных установок в промышленное производство. И только в последние годы появились методы, способные сделать это на практике.

Команда из Университета Фудань разработала ^[4] технологию ATOM2CHIP. Она позволяет выращивать слой молибденита прямо на кремниевом чипе с технологическим процессом 0,13 мкм. Итог — полноценная флеш-память, работающая вместе с CMOS-совместимым контроллером. Чип показал выход годных изделий 94,34%, что близко к промышленным стандартам, а также высокую скорость и энергоэффективность: всего 0,644 пДж/бит, время записи — 20 наносекунд и хранение данных до 10 лет. Это доказывает, что двумерные материалы готовы к реальным испытаниям. И показатели впечатляют, особенно если сравнить их с традиционными кремниевыми аналогами, которые потребляют ^[4] гораздо больше энергии.

Молибденит в ряде задач превосходит графен — например, в фотонике, где решающую роль играет его больший энергетический зазор. Благодаря этому он подходит для создания компактных и производительных электронных компонентов. Исследования также показывают, что молибденит сохраняет стабильность при температурах до 450 °C в воздухе, что делает его надежным материалом для работы в сложных условиях. Все это приближает нас к архитектурам нового поколения, где миниатюрность не означает потери мощности.

Как «подружить» 2D-слои с кремнием

В чем тут вообще проблема? Главная сложность — соединить слой толщиной в атом с кремниевым чипом. Это как уложить тончайшую пленку на неровную поверхность. Почему неровную? Даже до зеркального блеска отполированный чип на микроскопическом уровне не идеален. «Шероховатости» могут повредить хрупкий материал. К тому же двумерные слои чувствительны к теплу и электростатике, обычным в производственных процессах. Как ученые решили все эти сложности? 

Раньше они казались просто непреодолимыми, однако новый подход изменил ситуацию. В методе ATOM2CHIP задействован ^[5] процесс конформной адгезии: молибденит «обтекает» неровности чипа, приспосабливаясь к его рельефу, словно вода к камням. Это предотвращает разрывы и дефекты. Специальная упаковка защищает слой от нагрева и статического электричества во время сборки и работы. Еще одна задача — обеспечить надежное взаимодействие между 2D-памятью и кремниевой электроникой. Для этого создали 32‑битный интерфейс, который связывает их, поддерживая сложные операции, включая произвольный доступ.

Чип работает на частоте до 5 мегагерц — пока это лабораторный результат, но он показывает надежность: устройство выдерживает свыше 100 тысяч циклов записи. Сегодня уже есть способы выращивать такие структуры почти в промышленных масштабах, а добавки помогают лучше управлять процессом и избежать дефектов. Сейчас технологии проходят испытания на тестовых линиях, где проверяют, насколько они готовы к реальному производству.

Все эти эксперименты лишь начало. Пока инженеры проверяют устойчивость новых структур на тестовых линиях, ученые ищут, как использовать их шире — не только в памяти, но и в логике. Кремний уже подходит к своим пределам: все чаще сказываются квантовые эффекты и рассеяние на поверхности. Двумерные материалы дают возможность все это обойти — с их помощью можно создавать транзисторы с каналами толщиной в один атом. Такие разработки сейчас активно тестируют ^[6] в лабораториях по всему миру: в Германии изучают, как сочетать графен с другими слоями для повышения надежности, а в Японии автоматизируют процесс его выращивания.

Что это даст в будущем

Двумерные материалы открывают новые возможности — от ЦОД до носимых устройств. В центрах обработки данных они способны заметно снизить энергопотребление, а в гаджетах вроде умных часов и медицинских сенсоров молибденит проявляет устойчивость к изгибам и нагрузкам, благодаря чему такие устройства можно делать тоньше, гибче и долговечнее. Компактность 2D-структур позволяет размещать больше транзисторов на одном кристалле, продлевая действие закона Мура, который уже начал замедляться. В Индии тем временем активно развивают центры графеновых технологий и поддерживают стартапы в этой области, создавая исследовательские хабы и финансируя проекты, призванные укрепить местную микроэлектронную индустрию.

Стоимость 2D-материалов пока выше, чем у кремния, но их потенциал может окупить затраты. Гибридные структуры, такие как молибденит на графене, открывают перспективы в спинтронике и квантовых вычислениях. Эти слои можно комбинировать для создания устройств, работающих на квантовых принципах, что важно для будущих компьютеров. Кроме того, такие материалы находят применение в солнечных панелях, где их прозрачность и проводимость увеличивают эффективность.

2D-соединения востребованы в самых разных областях — от датчиков до оптоэлектроники. Графен используют в экспериментальных системах для обнаружения газов, а молибденит проверяют в высокоскоростных фотосенсорах. В Китае налаживают массовый синтез таких материалов, в Индии и Великобритании развивают исследования и ищут практические сценарии использования, в том числе в «зеленых» технологиях. В ближайшие годы можно ожидать появления новых устройств, где эти решения станут частью повседневной электроники.