На днях на конференции IEDM 2024 в Сан-Франциско компания TSMC впервые официально рассказала о преимуществах перехода на 2-нм транзисторы с круговым затвором Gate-All-Around и нанолистовыми каналами. К выпуску чипов по технологии N2 тайваньский чипмейкер приступит в наступающем году. По сути, нанолисты — это финальная архитектура транзисторов в привычном понимании и она останется актуальной надолго.

Не видите внизу 2-нм транзисторы? А они есть! Источник изображения: TSMC

В 2025 году производить чипы на основе 2-нм техпроцесса с наностраничными каналами и круговым затвором начнут также Samsung и Intel. Подобные структуры первой начала выпускать компания Samsung в рамках 3-нм техпроцесса в 2022 году. Для TSMC это станет первым опытом и плодом «более чем четырёхлетнего труда», как признался глава отдела разработчиков компании.

Современные транзисторы FinFET представляют собой набор вертикально расположенных транзисторных каналов — рёбер или плавников. Характеристики такого транзистора зависят от количества рёбер у каждого — одного, двух или трёх. Чем больше каналов, тем больше площадь, занимаемая транзистором. Это особенно остро сказывается в случае массивов памяти SRAM. Каждая ячейка такой памяти состоит из шести транзисторов и поэтому плохо поддаётся масштабированию. Между тем, без SRAM не обходятся ни простенькие контроллеры, ни мощные процессоры и ускорители.

Перевод транзисторных каналов в горизонтальную плоскость в виде тонких наностраниц сразу улучшает плотность, так как каналы располагаются друг над другом, и неважно, сколько их. От этого занимаемое транзистором место не увеличивается. В частности, переход TSMC от выпуска 3-нм FinFET транзисторов к 2-нм наностраничным увеличивает плотность размещения транзисторов на 15 %, независимо от того, используются ли производительные схемы или энергоэффективные. Выигрыш произойдёт в обоих случаях.

Между производительностью и энергоэффективностью придётся выбирать. Если делать ставку на скорость вычислений, прирост от перехода на 2-нм наностраничные транзисторы составит 15 %, а если выбрать низкое потребление, то выигрыш достигнет впечатляющих 30 %. Но это не вся польза от наностраничных каналов. Для FinFET транзисторов нельзя создать транзисторы с 1,5 рёбрами — это как полтора землекопа из известной сказки. Зато в случае наностраничных каналов можно менять их ширину, не говоря о количестве, и проектировать схемы с разнообразными и точно требуемыми параметрами.

В компании TSMC технологию изменения ширины наностраниц назвали Nanoflex. Это позволит выпускать на одном кристалле логику с узкими наностраницами, что ограничит их потребление, и вычислительное ядро с транзисторами с широкими наностраницами для пропускания больших токов, что обеспечит производительность, несмотря ни на что.

Но особенно заметно от перехода на наностраничные транзисторные каналы выиграет SRAM. При переходе с 4-нм на 3-нм техпроцесс плотность ячеек памяти SRAM выросла всего на 6 %. В случае технологии Nanoflex при переходе от 3-нм на 2-нм техпроцесс плотность ячеек SRAM вырастет на 11 %. Это даст повсеместный выигрыш, утверждают в TSMC.

Источник изображения: Intel

Интересно добавить, что на этой же конференции прозвучал доклад компании Intel, которая очертила границы будущего для классических транзисторов и, конкретно, в наностраничном исполнении.

«Архитектура наностраниц на самом деле является последним рубежом транзисторной архитектуры, — сказал Ашиш Агравал (Ashish Agrawal), специалист по кремниевым технологиям в исследовательской группе Intel по компонентам схем. — Даже будущие комплементарные FET (CFET) устройства, которые, возможно, появятся в середине 2030-х годов, будут построены из нанолистов. Поэтому важно, чтобы исследователи понимали свои ограничения».

Чтобы изучить границы возможного, в Intel создали экспериментальную транзисторную структуру с каналом длиной 6 нм. Чем короче канал, тем выше вероятность утечек через него и тем менее управляемым становится транзистор. Эксперимент показал, что транзисторы с каналами длиной 6 нм и шириной наностраницы 2 нм полностью работоспособны. Это позволит наностраничной транзисторной архитектуре существовать ещё долго, отодвинув переход на двумерные материалы и транзисторы на принципиально иной архитектуре далеко в будущее.

Возвращаясь к 2-нм техпроцессу TSMC (а также Samsung и Intel), напомним, что цифра в его названии ничего не говорит о физических размерах транзисторов. В рамках 2-нм техпроцесса транзисторы и транзисторные каналы измеряются десятками нанометров. Поэтому до выставленных Intel границ в эксперименте индустрия будет идти не одну пятилетку.

Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) разработали новый тип трёхмерных транзисторов, способных работать при значительно более низком электрическом напряжении, чем традиционные кремниевые решения. Технология основана на использовании ультратонких полупроводниковых материалов и, возможно, в будущем станет основой для производства более мощной и экономичной электроники — от смартфонов до автомобилей.

Источник изображения: mit.edu

Кремниевые транзисторы, используемые для усиления и переключения сигналов, являются критически важным компонентом большинства электронных устройств, используемых как в быту, так и на производстве. Однако развитие технологии кремниевых полупроводников сдерживается законами физики, которые не позволяют транзисторам работать ниже определённого напряжения, поясняют учёные.

Это ограничение, известное как «тирания Больцмана», затрудняет повышение энергоэффективности компьютеров и других электронных устройств, особенно в условиях стремительного развития технологий искусственного интеллекта, где требуются большие вычисления.

В стремлении преодолеть этот фундаментальный предел кремния исследователи из Массачусетского технологического института разработали новый тип трёхмерных транзисторов, используя уникальный набор ультратонких полупроводниковых материалов. Эти устройства, оснащённые вертикальными нанопроводами шириной всего несколько нанометров, могут обеспечивать производительность, сопоставимую с современными кремниевыми транзисторами, но при этом эффективно работать на гораздо более низких уровнях напряжения.

Технология использует свойства квантовой механики, а чрезвычайно малый размер транзисторов позволит размещать их на компьютерном чипе в большем количестве, что, в свою очередь, приведёт к созданию быстрой, мощной и энергоэффективной электроники. «Эта технология потенциально способна заменить кремний, поэтому её можно использовать для всех функций, которыми обладает кремний в настоящее время, но с гораздо большей энергоэффективностью», — отмечает Яньцзе Шао (Yanjie Shao), исследователь из MIT и основной автор статьи.

По словам другого автора этой работы, профессора Хесуса дель Аламо (Jesús del Alamo), с помощью традиционной физики невозможно продвинуться дальше определённого уровня, но работа Яньцзе Шао показывает, что вполне возможно достичь большего, однако для этого нужно использовать иную физику. «Конечно, остаётся ещё много вызовов, которые предстоит преодолеть, чтобы сделать этот подход коммерчески жизнеспособным в будущем, но концептуально это действительно прорыв», — добавил он.

Учёные из Массачусетского технологического института показали, как обычная 3D-печать позволяет напечатать электронные схемы не используя полупроводниковые материалы. Эта возможность пригодится тем, кто ограничен в использовании кремниевых компонентов, но нуждается в простой электронике, например, в космосе или на полярных станциях. Даже возможность напечатать модель со встроенной электроникой дорогого стоит.

Напечатанная на 3D-принтере схема с предохранителем со сбросом (пластик легированный медью). Источник изображения: MIT

«У технологии есть реальные преимущества. Хотя мы не можем конкурировать с кремнием как полупроводником, наша идея состоит не в том, чтобы обязательно заменить то, что существует, а в том, чтобы продвинуть технологию 3D-печати на неизведанную территорию, — поясняют авторы работы, опубликованной в журнале Virtual and Physical Prototyping. — В двух словах, речь идёт о демократизации технологий. Это может позволить любому создавать интеллектуальное оборудование вдали от традиционных производственных центров».

Разработку создали Хорхе Каньяда (Jorge Cañada), аспирант по электротехнике и информатике, и Луис Фернандо Веласкес-Гарсия (Luis Fernando Velásquez-García), главный научный сотрудник лаборатории микросистемных технологий Массачусетского технологического института. Ранее они обратили внимание, что легированный медью пластик может вести себя подобно полупроводнику, что позволяет на этой основе напечатать элемент со свойствами транзистора и, следовательно, несложную электронику. Интересно, что графен и графит не проявляют похожих свойств в тех же условиях.

Предложенная исследователями технология позволит распечатать электромеханическое устройство как единую модель самым простым образом на 3D-принтерах с обычными, рассчитанными на работу с полимерными нитями, экструдерами. С такими возможностями любой буквально на коленке сможет напечатать приспособление с блоком управления. Такая возможность станет бесценной в космических полётах и, в целом, в местах, где под рукой просто не окажется нужных компонентов, а почтового сообщения нет или долго не будет.

Учёные из Италии и Сербии построили транзистор из фталоцианина меди (CuPc) — известного компонента, который используется в отбеливающей зубной пасте, но может применяться и в качестве органического полупроводника. Вещество остаётся стабильным более года и может работать как управляемый электролитом транзистор при напряжении менее 1 В — при этом оно безопасно для потребления человеком.

Источник изображения: Diana Polekhina / unsplash.com

Чистя зубы два раза в день, человек принимает около 1 мг CuPc, и это в 12 500 раз больше, чем необходимые для создания чипа 80 нанограммов (нг). Съедобный транзистор окажется полезным при разработке медицинских устройств, которые можно безопасно проглотить для исследования желудочно-кишечного тракта. К примеру при капсульной эндоскопии — проглатывании крошечной беспроводной камеры размером с таблетку — требуется контроль врача, а исследование носит только визуальный характер.

Съедобные транзисторы помогут в разработке более сложных устройств — например, сенсоров для оценки уровней ферментов и других химических веществ. Такие устройства не сопряжены со значительной угрозой для здоровья, а значит, ими можно пользоваться без подготовки и надзора со стороны врача. Это может быть полезным в ранней диагностике заболеваний и даже автоматизации лечебных процедур.

Ранее учёные предлагали и другие съедобные электронные компоненты: электролиты, батареи, суперконденсатор, проводящие пасты и чернила и сенсоры — но их применение было бы ограниченным без транзисторов, способных выполнять роль «мозга» операции. CuPc-транзистор может оказаться относительно простым и недорогим решением этой проблемы.

Близится то время, когда привычные кремниевые транзисторы больше нельзя будет уменьшать в размерах. Поэтому в запасе должна быть технология производства транзисторов атомарного масштаба, с чём обещают помочь так называемые 2D-материалы. Они настолько тонкие, что за тип проводимости в них начинают отвечать дефекты — отдельные атомы или их вакансии. Это уменьшает размеры транзисторов до считанных атомов и оставляет простор для развития электроники.

Дефект в кристаллической структуре служит основой для атомарно тонкого транзистора. Источник изображения: PPPL

Свой посильный вклад в изучение перспективных материалов для электроники будущего внесли учёные Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL). Плазма или четвёртое состояние вещества позволяет дозировано воздействовать на материалы, придавая им те или иные требуемые свойства. В новой работе исследователи попытались дать расширенную характеристику такому ряду 2D-материалов, как дихалькогенид переходного металла (TMD или, по-русски, ДПМ). К дихалькогенидам относятся такие вещества, как кислород, сера, селен или теллур. А переходные металлы — это любой металл из групп с 3 по 12 в периодической таблице Менделеева.

Соединения ДПМ представляют собой своего рода сэндвичи из чередующихся слоистых материалов, где слой переходного металла обкладывается с двух сторон дихалькогенидами. Учёные давно заметили, что в ряде случаев отдельные участки таких соединений демонстрируют разную проводимость: n- или p-типа (электронную или дырочную). Исследователи PPPL всерьёз взялись изучить вопрос, от чего это зависит, и как влияют на проводимость дефекты — вакансии атомов или присутствие лишних атомов в материале, а также какие из веществ (дихалькогенидов) вызывают появление избытка электронов или дырок.

В частности, исследователи выяснили, что присутствие атомов водорода в ДПМ однозначно ведёт к появлению избыточности по электронам. Это пригодится для создания условно точечных транзисторов n-типа. Для других материалов также были определены свои характеристики, что достигалось как измерениями, например, поглощением света, так и расчётами. Другим важным аспектом работы стало изучение условий для появления дефектов с минимальным расходом энергии, потому что именно у таких дефектов выше всего вероятность возникнуть в процессе обработки. Одним словом, учёные создали базу, от которой можно реально отталкиваться в процессе поиска перспективных 2D-материалов для производства атомарно малых транзисторов, о чём они сообщили в соответствующей статье.

Согласно долгосрочным планам IEEE, полупроводниковая промышленность к 2027 году освоит литографию с шагом (узлом) 0,5 нм при ширине затвора транзистора 12 нм. Учёные из Южной Кореи нашли возможность уже сегодня выращивать более мелкие транзисторы, не ожидая улучшения литографических сканеров. С помощью новой разработки они без сканеров научились создавать электрод затвора шириной 0,4 нм для работы с транзисторным каналом шириной 3,9 нм.

Металлические 1D-электроды (жёлтые) растут как грибы после дождя безо всякой литографии. Источник изображений: IBS

В открытии помогло обнаружение дефектов в кристаллической структуре дисульфида молибдена (MoS_₂). При определённых условиях дефекты можно было контролируемо перевести в металлическую фазу. Таким образом, на пластине появлялся металлический электрод шириной 0,4 нм, который никакой сканер не смог бы воспроизвести ни сегодня, ни через 15 лет. Дефект появляется на границе зеркального раздела между участками растущей кристаллической подложки MoS_₂. Контролируя эпитаксиальный рост подложки можно добиться превращения границы раздела в одномерный тонкий металлический электрод.

Учёные из Центра квантовых твёрдых тел Ван-дер-Ваальса при Институте фундаментальных наук (IBS) в Тэджоне не только показали возможность выращивать одномерные металлы, но также создали с их помощью двумерные полевые транзисторы и даже экспериментальные чипы. Выяснилось, что электрод затвора шириной 0,4 нм способен создавать поле (управлять проводимостью затвора) на ширину 3,9 нм. Также, несмотря на атомарную ширину канала, такой транзистор показал превосходную электронную проводимость и, следовательно, будет достаточно производительным для использования в микросхемах.

Поскольку структура предложенного транзистора проста до невообразимости, у него не будет паразитных ёмкостей, которыми особенно страдают новомодные транзисторы с круговым затвором и старые FinFET. Это даст дополнительный выигрыш по скорости переключения и энергоэффективности.

Руководитель проекта Чо Мун-Хо (Jo Moon-Ho) сказал: «Одномерная металлическая фаза, получаемая путем эпитаксиального роста, представляет собой новый процесс получения материала, который может быть применен к ультраминиатюризированным полупроводниковым процессам. Ожидается, что в будущем он станет ключевой технологией для разработки различных маломощных и высокопроизводительных электронных устройств».

Компания Samsung разрабатывает транзисторы GAA (Gate-all-Around) нового поколения, которые будут применяться в чипах, производимых по её 2-нм техпроцессе. Компания планирует внедрить технологию в следующем году. Об этом сообщает южнокорейское издание Business Korea, ссылающееся на свои источники в отрасли.

Источник изображений: Samsung

Со ссылкой на свои источники издание также отмечает, что Samsung собирается представить доклад о третьем поколении технологии GAA для своего 2-нм техпроцесса (SF2) в рамках конференции по вопросам полупроводниковых технологий VLSI Symposium 2024, которая будет проходить на Гавайях с 16 по 20 июня.

Технология GAA, которую первой в мире поставила на коммерческие рельсы именно компания Samsung, это технология производства транзисторов с затвором, который полностью окружает канал. Поскольку с каждым переходом на новый техпроцесс транзисторы в составе полупроводника становятся меньше, контролировать движение тока в них становится всё сложнее. Однако GAA предлагает совершенно новую архитектуру транзистора, которая позволяет повысить его энергоэффективность.

В настоящий момент Samsung является единственной компанией в мире, которая может массово применять технологию GAA-транзисторов для производства чипов. Она приступила к исследованию GAA ещё в начале 2000-х годов и впервые внедрила её для своего 3-нм техпроцесса в 2022 году. Однако из-за мировой экономической нестабильности, высокой стоимости производства, а также ограниченной клиентской базы в таких секторах, как мобильные устройства, спрос на 3-нм техпроцесс Samsung оказался несущественным. Как результат, лидерство в производстве 3-нм чипов перешло к тайваньскому контрактному производителю чипов TSMC, который использует более традиционные (и дешёвые) методы производства транзисторов.

В ответ Samsung готовит второе поколение транзисторов GAA для 3-нм техпроцесса, которое она собирается представить в течение этого года. А в следующем году компания представит третье поколение GAA для 2-нм техпроцесса, чтобы закрепить лидерство в этом направлении. TSMC и Intel тоже планируют в конечном итоге перейти на использование технологии GAA с переходом на 2-нм техпроцесс производства, но случится это позже, чем у Samsung. Таким образом, у южнокорейской компании будет некое преимущество перед конкурентами. По крайней мере в теории.

Официальное название технологии GAA от Samsung — MBCFET. Первое поколение GAA для техпроцесса 3 нм по сравнению с предыдущим поколением FinFET-транзисторов Samsung обеспечило 23-процентную прибавку в производительности, 16-процентное увеличение плотности и 45-процентное повышение энергоэффективности. Второе поколение GAA для 3 нм техпроцесса, как ожидается, обеспечит 30-процентную прибавку в производительности, 35-процентное повышение плотности, а также 50-процентное снижение в энергопотреблении. Что касается третьего поколения MBCFET, то для него также ожидается значительная прибавка в производительности с более чем 50-процентным повышением энергоэффективности по сравнению с предыдущим поколением технологии.

Исследователи из Венского технологического университета (TU Wien) представили набор базовых логических схем на реконфигурируемых транзисторах (RFET). Проводимость транзисторов RFET можно менять в любое время, что открывает путь к адаптивной логике вплоть до тонкой подстройки самообучающихся процессоров.

Источник изображения: TU Wien

Учёные из Австрии разработали базовый подход к созданию RFET ещё три года назад. Сегодня они впервые показали, что транзисторы с изменяемой проводимостью могут работать в составе базовых логических схем, и их логика может меняться по команде.

Сегодня проводимость транзисторов — электронная или дырочная — закладывается в процессе обработки кремниевых пластин на этапе легирования. Это химико-физическое внесение тех или иных примесей в транзисторные каналы, которые делают их либо избыточно насыщенными электронами, либо электронными вакансиями — дырками. Тем самым в канале транзистора будет движение электронов или дырок, что предопределит его работу в составе электронной схемы. Представьте на минуту, что мы получаем возможность на лету поменять проводимость транзисторов. Очевидно, что схема начнёт работать по-иному.

Исследователи из Венского технологического университета предложили метод электростатического легирования. Изначально транзисторные каналы создаются нейтральными, но затем к ним может быть приложено электромагнитное поле, которое в зависимости от полярности насытит канал либо электронами, либо дырками. Для этого достаточно разместить над каналом транзисторов RFET один дополнительный электрод — его учёные назвали «программным вентилем». Правильная команда на все программные вентили перестроит транзисторы и всю логику чипа, если каждый из её транзисторов будет реконфигурируемым.

«В наших реконфигурируемых устройствах [с нелегированными полупроводниковыми каналами] мы добавляем дополнительные электроды, так называемый ”программный вентиль" поверх каждого перехода металл-полупроводник, чтобы отфильтровывать нежелательный тип носителей заряда, — поясняют разработчики из TU Wien. — При помощи второго электрода поверх полупроводникового канала, так называемого "управляющего затвора", протеканием тока через устройство управляют для включения и выключения транзистора (как в классических МОП-транзисторах)».

Учёные отдают себе отчёт, что транзистор RFET не может быть таким же маленьким, как обычный полевой транзистор. Как минимум этого не позволит дополнительный электрод в его составе. В то же время с учётом оптимизации работы логики за счёт RFET общее количество транзисторов в микросхеме может быть меньше, чем в случае универсального решения на обычных транзисторах. Наконец, реконфигурировать можно не весь процессор, а только отдельные его элементы, ответственные за какие-то специфические и непостоянные функции. В любом случае, оптимизированный чип будет меньше греться и быстрее считать.

«Наши реконфигурируемые транзисторы позволяют реконфигурировать блоки передачи информации на фундаментальном уровне, а не заниматься её передачей в стационарные функциональные блоки, — пояснил профессор факультета твердотельной электроники в Венском техническом университете Уолтер М. Вебер (Walter M. Weber). — Это означает, что природа нашего подхода является весьма перспективной для реконфигурируемых вычислений и приложений искусственного интеллекта».

Очевидно, что RFET не заменят обычные транзисторы в подавляющем большинстве решений, но в отдельных случаях изобретение может помочь в создании более передовых и функционально насыщенных чипов. В конечном итоге можно выпускать базовые «обезличенные» наборы логических схем, цепи которых будут создаваться потом по мере необходимости и в соответствии с решаемыми задачами.

Реконфигурируемые транзисторы открывают возможности для решений аппаратной безопасности, новых приложений в аналоговых схемах и достижений в области нейроморфных вычислений, делая возможным даже производство самообучающихся и адаптивных решений.

Учёные из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли подобрали перспективный, недорогой и экологически безопасный состав чернил для широкого спектра применений в производстве и быту. Новинка поможет выпускать дисплеи нового поколения для электроники, будет использоваться в предметах одежды и служить основой для 3D-печати светящихся и люминесцирующих моделей.

Модели Эйфелевой башни, напечатанные с использованием новых люминесцентных чернил. Источник изображения: Berkeley Lab

«Благодаря замене драгоценных металлов более доступными в природе материалами, наша технология супрамолекулярных [супермолекулярных] чернил может кардинально изменить правила игры в индустрии OLED-дисплеев, — заявил главный исследователь проекта Пейдонг Янг (Peidong Yang), старший научный сотрудник отдела материаловедения Berkeley Lab и профессор химии, материаловедения и инженерии Калифорнийского университета в Беркли. — Что ещё более захватывающе, так это то, что технология может также распространить свое применение на печать органических плёнок для изготовления носимых устройств, а также люминесцентных рисунков и скульптур».

Исследователи пояснили в статье в журнале Science, что новый материал состоит из порошков, содержащих гафний (Hf) и цирконий (Zr), которые можно смешивать в растворе при относительно невысоких температурах: от комнатной до примерно 80 °C. При нагревании образуются «чернила», которыми дальше можно пользоваться по своему усмотрению. Подобный скромный нагрев позволит значительно снизить затраты на производство, которое, как правило, довольно энергоёмкое, если говорить о современных реалиях.

Представление новой супермолекулы «чернил»

Более того, новые чернила способны подтолкнуть к появлению более устойчивых к воздействию окружающей среды плёнок на основе перовскита. Они могут заменить современные соединения перовскита со свинцом, предложив более экологически чистую альтернативу перспективным светящимся и фотопреобразующим перовскитным пленкам.

Но это в отдалённой перспективе. Найденный в Беркли супермолекулярный состав был испытан на люминесценцию и её эффективность. Выяснилось, что при освещении материала ультрафиолетовым светом он почти 100 % энергии переводит в оптический диапазон. Это редкая удача, которая позволит максимально увеличить эффективность будущих плоскопанельных дисплеев. Правда, найдены только соединения для синего и зелёного спектра, тогда как с красным пока не заладилось.

В качестве эксперимента была изготовлен тонкоплёночный дисплей, работа которого в виде быстрой смены букв английского алфавита показана выше на видео. Нетрудно заметить, что даже лабораторная разработка показывает отличную скорость реакции, что важно для дисплеев.

Не менее интересно выглядит перспектива использования нового супермолекулярного соединения для 3D-печати. Напечатанные таким образом миниатюры будут светиться, что позволит, например, создавать таким образом декоративные осветительные приборы. Наконец, светящиеся чернила с поддержкой низкотемпературно процесса способны сказать новое слово в одежде. Это может быть как спецодежда для работы в условиях плохой освещённости, так и повседневная со своей изюминкой в дизайне.

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.

Чем меньше становятся транзисторы, тем больше факторов влияет на их производительность. Как выяснили в компании IBM, производительность будущих транзисторов с круговыми затворами и наностраничными каналами будет заметно меняться в зависимости от ориентации кристаллов кремния, из которых они изготавливаются.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

Известно, что кристаллическая решётка — это бесконечно повторяющееся чередование одинаковых комбинаций атомов в структуре вещества. В зависимости от выбора направления и места среза, проходящего через кристалл, на образовавшейся грани выступят те или иные сочетания атомов и связей между ними. Учёные давно выяснили, что каждая грань обладает своей дырочной и электронной проводимостью. Пока транзисторы были большими, это можно было не принимать во внимание. Однако при переходе к 2-нм транзисторам и компонентам меньшего размера ориентация кристаллов кремния уже заметно влияет на их производительность.

Индексы Миллера. Источник изображения: Википедия

Традиционно в индустрии производства полупроводников кремниевую подложку нарезали в плоскости 001 так называемого индекса Миллера. В этой плоскости электронная проводимость наиболее высокая и она оказывает наибольшее влияние на производительность чипа. Дырочная проводимость существенно меньше, но до сих пор это было не критично. В случае создания транзистора из кремния на срезе 110 дырочная проводимость резко возрастает, а электронная немного снижается. В сумме эффект получается положительным и это будет иметь значение для производительности будущих транзисторов.

Расположение атомов в ячейке кристаллической решётки кремния

В принципе, транзисторы с вертикально расположенными затворами — FinFET, которые давно выпускаются и стали привычными, располагают каналами именно в срезе 110. Другое дело — будущие транзисторы с круговым затвором и наностраничными каналами — GAA. Наностраничные каналы будут располагаться параллельно плоскости традиционного среза кремния и лишатся выигрыша в виде ускоренной дырочной проводимости.

Исследовательская группа IBM создала целый ряд вариаций пар GAA-транзисторов на кремнии с обеими ориентациями срезов. Транзисторы были с разным количеством каналов, с разными сечениями и с каналами разной длины. Во всех случаях транзисторы с ориентацией кремния 110 превзошли своих собратьев из кремния по срезу 001. Для более толстых каналов разница была меньше, но всё равно оставалась. Также транзисторы с электронной проводимостью (nFET) оказались чуть медленнее на срезе 110, чем на 001. Но заметно возросшая производительность транзисторов pFET (с дырочной проводимостью) на кристалле со срезом 110 это компенсировала.

Представление пары вертикально расположенных друг над другом комплементарных транзисторов. Источник изображения: Intel

Также в компании IBM собираются найти способ уменьшить негативное влияние альтернативной ориентации на электронную проводимость. Кроме того, учёные изучат использование кремния с ориентацией 110 в транзисторах с 3D-наноструктурой, называемых комплементарными полевыми транзисторами (CFET). В этой архитектуре элементы nFET обычно размещаются поверх pFET, чтобы не увеличивать размеры чипов. Ожидается, что такие многоуровневые устройства появятся в течение 10 лет, и все три производителя микросхем с передовой логикой уже представили прототипы CFET в прошлом месяце на конференции IEDM 2023. В таком случае транзисторы pFET могут изготавливаться из кремния 110, а nFET — из кремния 001.

В любом случае, это не решение завтрашнего дня. Вряд ли производители изменят ориентацию порезки кристаллов кремния до 2030 года. У них есть в запасе технологии, повышающие производительность чипов менее экзотическими способами.

Исследователи из Калифорнийского университета разработали первый в мире полевой транзистор, который управляет не электрическим током, а передачей тепла. Скорость переключения уникального прибора достигает 1 МГц. Он может быстро, дозировано и даже с увеличением мощности передавать тепло по цепи, что открывает целый спектр новых приложений для терморегуляции в электронике и не только.

Источник изображения: H-Lab/UCLA

Обычному полевому транзистору в этом году исполнится 76 лет (это произойдёт 16 декабря). Эти приборы управляют проводимостью полупроводникового канала с помощью электромагнитного поля, дозируя прохождение потока электронов от истока к стоку. Термотранзистор работает по тому же принципу, но только с помощью электромагнитного поля он регулирует теплопроводность канала.

По словам учёных, прототип показал способность быстро и точно переключать теплопроводность канала, управляя тепловым сопротивлением на границе раздела нескольких материалов в канале. Прибор показал способность менять тепловое сопротивление до 1300 %. Иначе говоря, он может не только включать и выключать тепловой поток от источника, но также значительно его усиливать.

Предложенные термотранзисторы полностью твердотельные, что позволит выпускать их в одном технологическом процессе с обычными микросхемами. В составе чипов они будут с предельной точностью и скоростью регулировать тепловой отвод от нужных участков кристалла, тогда как обычные средства отвода тепла обладают большой инерцией и плохо поддаются регулировке.

Наконец, те фундаментальные основы физики, которые помогли разработать термотранзистор, послужат толчком к пониманию механизмов переноса тепла живыми клетками и, в итоге, дадут возможность учёным разобраться с терморегуляцией тела человека, процессы которой науке до конца ещё не ясны.

Учёные из Университета Тафтса (США) представили прототип гибридного транзистора на основе шёлка. Биологический материал включили в стандартный техпроцесс производства чипов, что обещает сделать его использование массовым. Сочетание кремния и биотехнологий позволяет гибридным электронным цепям реагировать одновременно на электрические и биологические сигналы, открывая путь к датчикам здоровья и нейропроцессорам.

Источник изображения: Tufts University / Silklab

Исследователи давно ищут мостик между живым и неживым, который позволит создавать нейроинтерфейсы между электронными устройствами и живыми организмами. Перспективы подобных решений невозможно переоценить. Нейросети, подобные мозгу процессоры, датчики биологических процессов в организме людей — это многое изменит в жизни людей. Произойдёт это не завтра и не послезавтра, но рано или поздно мир станет совершенно иным.

Подтолкнут ли к этим изменениям только что представленные гибридные транзисторы, или они канут в небытие, мы пока не знаем. Но на данном этапе разработка демонстрирует ряд интересных свойств, например, способность вписаться в современные техпроцессы выпуска микросхем.

Предложенный учёными гибридный процессор в качестве изолятора (очевидно, затвора) использует материал на основе белка фиброина, входящего в состав шёлковых нитей и, например, паутины. Этот белок показал хорошую восприимчивость в процессе регулировки его ионной проводимости электронными импульсами и биомаркерами.

По сути, мы имеем дело с чем-то сильно напоминающим, как работает ячейка памяти ReRAM: насыщение ионами рабочего слоя меняет там сопротивление. Тем самым гибридный транзистор на основе шёлка вполне перекрывает область применения резистивной памяти или мемристора, как назвала его компания HP, и даже выходит за его пределы, поскольку заходит в сферу биологии.

На основе предложенного решения исследователи создали датчик дыхания, чутко реагирующий на влажность. Здоровье человека — это та сфера, которая может стать благодатной почвой для множества перспективных начинаний, и «транзистор из шёлка» вполне может стать одним из них.

Китайские учёные сообщили о создании технологии массового производства подложек с атомарно тонкими полупроводниковыми слоями. Новая технология масштабируется до производства 12-дюймовых (300-мм) подложек — самых массовых, продуктивных и наибольших по диаметру пластин для производства чипов. С такими пластинами транзисторы с затвором размером 1 нм и меньше станут реальностью, что продлит действие закона Мура и выведет электронику на новый уровень.

Источник изображения: Pixabay

Современные технологии наращивания слоёв на подложках работают по принципу осаждения материала из точки распыления на поверхность. Для нанесения плёнок толщиной в один атом или около того на крупные пластины эта технология не предназначена. С её помощью можно инициировать рост равномерной по толщине плёнки только на небольшие пластины — примерно до 2 дюймов в диаметре. Для пластин большего диаметра и, тем более, для 300-мм подложек этот метод не годится.

В интервью изданию South China Morning Post профессор Пекинского университета Лю Кайхуи (Liu Kaihui) сообщил, что его группа разработала технологию производства атомарно тонких слоёв на любых подложках вплоть до 300-мм. В основе технологии лежит контактный метод выращивания плёнки с поверхности на поверхность. Активный материал входит в контакт с подложкой сразу по всей её поверхности, давая старт для роста плёнки равномерно во всех её точках. В зависимости от типа активного материала могут быть выращены плёнки нужного состава и даже множество плёнок друг на друге, если это потребуется.

Кроме того, учёные разработали проект установки для выращивания атомарно тонких плёнок в массовых объёмах. Согласно расчётам, одна такая установка может выпускать до 10 тыс. 300-мм подложек в год. Эта же технология подходит для покрытия подложек графеном, что позволит, наконец, внедрить этот интересный материал в массовое производство чипов.

Следует сказать, что учёные заглянули далеко вперёд. Сегодня 2D-материалы (толщиной в 1 атом) только исследуются на предмет использования в структурах 2D-транзисторов и в других качествах. До массового производства подобных решений ещё очень далеко, и предстоит провести много научной работы, пока она не воплотится в серийной продукции. Но это важнейшее направление, которое позволит совершить прорыв в производстве электроники и китайские производители внимательно следят за успехами своих учёных.

Выступая на европейском технологическом симпозиуме представитель TSMC заявил, что в лабораториях компании уже есть рабочие микросхемы с транзисторами CFET или комплементарными FET (Сomplementary FET). Однако до выхода технологии на рынок ещё очень далеко. CFET находятся на очень ранней стадии разработки и до их массового производства на рынке ещё успеют появиться несколько поколений других типов транзисторов.

Источник изображения: TSMC

Перед CFET ожидается выход GAA-транзисторов с круговым затвором, которые TSMC собирается представить с грядущим 2-нм технологическим процессом N2. CFET-транзисторы станут идейными наследниками GAAFET и предложат преимущества над GAAFET и FinFET в аспектах энергоэффективности, производительности и плотности размещения транзисторов. Однако все эти преимущества — пока лишь теория, которая зависит от того, смогут ли инженеры преодолеть значительные технологических сложности, связанные не только с производством, но самой разработкой этого типа транзисторов.

В частности, как отмечает TSMC, для производства транзисторов CFET потребуется применение чрезвычайно точных инструментов литографии для возможности интеграции в конструкцию транзистора и расположения рядом друг с другом полупроводниковых элементов n-типа и p-типа, а также применение максимально качественных материалов, обладающих необходимыми электрическими свойствами.

Как и любой производитель чипов, компания TSMC ведёт разработку и исследование разных типов транзисторов. И те же CFET разрабатывает не только она одна. Этот вопрос также исследует, например, компания Intel. Однако TSMC первой сообщила, что получила в лабораторных условиях работающие CFET. Теперь задача компании состоит в том, чтобы понять, как эти транзисторы вывести на массовое производство. По словам тайваньского контрактного производителя чипов, случится это точно не в ближайшем будущем.

«Позвольте мне прояснить то, что изображено на нашей дорожной карте. Всё, что находится далее нанолистов — это вопрос далёкого будущего. Мы продолжаем работу по нескольким направлениям. Я также хотел бы добавить по поводу одномерных транзисторов <…> Сейчас все [типы транзисторов] исследуются на предмет возможности стать кандидатом на будущее производство, однако мы не можем точно сказать, какая именно архитектура транзисторов будет использоваться после нанолистов», — прокомментировал вице-президент по вопросам технологического развития TSMC Кевин Чжан.

По словам Чжана, TSMC в течение нескольких лет планирует использование GAA-транзисторов для производства чипов. «Применение нанолистов начнётся с 2 нм. Логично предположить, что нанолисты будут использоваться как минимум в течение пары последующих поколений. Поэтому если говорить о CFET… мы использовали те же FinFET в течение пяти поколений, то есть более 10 лет», — добавил он.