Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) разработали технологию, которая позволит «выращивать» транзисторы атомарного уровня непосредственно на поверхности кремниевых микросхем, что может привести к созданию компьютерных чипов с большей плотностью транзисторов и более высокой производительностью.

Источник изображения: MIT

Разработки в сфере ИИ, такие как набравшие огромную популярность чат-боты, требуют более плотных и мощных компьютерных чипов. Но традиционные полупроводниковые чипы представляют собой трехмерные структуры, поэтому укладка нескольких слоев транзисторов для создания более плотных интеграций очень затруднительна. Однако полупроводниковые транзисторы, изготовленные из сверхтонких двумерных материалов, толщина каждого из которых составляет всего около трех атомов, могут быть сложены в стопки для создания более мощных чипов. Учёные Массачусетского технологического института продемонстрировали новую технологию, которая позволяет эффективно и качественно «выращивать» слои двумерных материалов из дихалькогенидов переходных металлов (TMD) непосредственно на полностью готовом кремниевом чипе, что позволяет создавать более плотные и мощные решения.

Выращивание двумерных материалов непосредственно на кремниевой КМОП-пластине представляло собой сложную задачу, поскольку этот процесс обычно требует температуры около 600 °C, в то время как кремниевые транзисторы и схемы могут выйти из строя при нагреве выше 400 градусов. Группа исследователей MIT разработала низкотемпературный процесс выращивания, который не повреждает чип. Технология позволяет интегрировать двумерные полупроводниковые транзисторы непосредственно поверх стандартных кремниевых схем.

В прошлом исследователи выращивали двумерные материалы отдельно, а затем переносили эту тончайшую плёнку на чип или пластину. Это часто приводит к возникновению дефектов, которые мешают работе конечных устройств. Кроме того, перенос настолько тонкого материала представляется чрезвычайно сложным в масштабах пластины. Новый процесс позволяет вырастить равномерный, однородный слой на всей поверхности 200-мм пластины менее чем за час. В то время как предыдущие подходы требовали более суток.

Источник изображений: Nature

Двумерный материал, на котором сосредоточились исследователи, — дисульфид молибдена — гибкий, прозрачный и обладает мощными электронными и фотонными свойствами, что делает его идеальным для полупроводникового транзистора. Он состоит из одноатомного слоя молибдена, зажатого между двумя атомами сульфида.

Выращивание тонких пленок дисульфида молибдена на поверхности с хорошей однородностью часто осуществляется с помощью процесса, известного как металлоорганическое химическое осаждение из паровой фазы (MOCVD). Гексакарбонил молибдена и диэтиленсульфоксид, два органических химических соединения, содержащие атомы молибдена и серы, испаряются и нагреваются внутри реакционной камеры, где они «разлагаются» на более мелкие молекулы. Затем они соединяются в результате химических реакций, образуя цепочки дисульфида молибдена на поверхности.

Но для разложения этих соединений молибдена и серы, известных как прекурсоры, требуется температура выше 550 градусов Цельсия, в то время как кремниевые цепи начинают разрушаться при температуре выше 400 градусов. Поэтому исследователи начали с нестандартного подхода — они спроектировали и построили совершенно новую печь для осаждения из паровой фазы.

Печь состоит из двух камер, низкотемпературной области в передней части, куда помещается кремниевая пластина, и высокотемпературной области в задней части. В печь закачиваются испаренные прекурсоры молибдена и серы. Молибден остается в низкотемпературной области, где температура поддерживается ниже 400 градусов Цельсия — достаточно тепло, чтобы разложить молибденовый прекурсор, но не настолько горячо, чтобы повредить кремниевый чип. Прекурсор серы проходит через высокотемпературную область, где он разлагается. Затем он поступает обратно в низкотемпературную область, где происходит химическая реакция для выращивания дисульфида молибдена на поверхности пластины.

Одна из проблем этого процесса заключается в том, что кремниевые микросхемы обычно имеют алюминиевый или медный верхний слой, чтобы чип можно было подключить к контактам подложки. Но сера вызывает сернистость этих металлов, подобно тому, как некоторые металлы ржавеют под воздействием кислорода, что разрушает их проводимость. Исследователи предотвратили серообразование, сначала нанеся очень тонкий слой пассивирующего материала на верхнюю часть микросхемы, который после вскрывается для создания контактов.

Они также поместили кремниевую пластину в низкотемпературную область печи вертикально, а не горизонтально. При вертикальном расположении ни один из концов не находится слишком близко к высокотемпературной области, поэтому ни одна часть пластины не повреждается под воздействием тепла. Кроме того, молекулы молибдена и сернистого газа закручиваются, сталкиваясь с вертикальным чипом, а не текут по горизонтальной поверхности. Этот эффект циркуляции улучшает рост дисульфида молибдена и приводит к лучшей однородности материала.

В будущем исследователи хотят усовершенствовать свою методику и использовать ее для выращивания нескольких слоев двумерных транзисторов. И изучить возможность использования низкотемпературного процесса роста для гибких поверхностей, таких как полимеры, текстиль или даже бумага. Это может позволить интегрировать полупроводники в повседневные предметы, например на одежду.

Удивительно, но за 15 лет с момента открытия двухслойного графена и транзистора на его основе природа этого явления так и не была выяснена. Точку в понимании физических явлений в p-n-переходе графенового транзистора поставила группа учёных из лаборатории оптоэлектроники двумерных материалов Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ. Российские учёные поставили эксперимент, который доказал квантовую природу графенового p-n-перехода.

Свинцов Д., глава лаборатории оптоэлектроники двумерных материалов МФТИ. Источник: Сафрон Голиков/Цифровой океан

Как известно, p-n-переходы могут строиться либо на преодолении электронами энергетического барьера (внутреннего электромагнитного поля) на разделе двух полупроводников с разными примесями, либо на эффекте туннельного перехода, когда электроны проходят сквозь барьер за счёт квантовых явлений при гораздо меньших затратах энергии. Разобраться с физикой p-n-перехода в двухслойном графене мешало то, что энергия переключения состояния очень и очень маленькая, что не позволяло с достоверной точностью оценить, какой из эффектов присущ графеновому переключателю.

По исполнению графеновый p-n-переход из двухслойного графена (читай — транзистор) — это простой прибор. Переключаемый переход создаётся в виде разомкнутого двухэлектродного затвора, на которые подаётся два разных напряжения. Впрочем, графен должен быть без каких-либо примесей — максимально чистым. Отсутствие совершенно чистого графена мешало определить — работает ли электронный барьер (по аналогии с примесями в полупроводниках), или туннельный эффект. Два годна назад в МФТИ научились выпускать сверхчистый графен благодаря инкапсуляции его в нитрид бора, и этот материал был использован в эксперименте.

Учёные подвергли графеновый p-n-переход терагерцовому облучению — это сродни нагреву материала, что должно было повысить энергию электронов рядом с границей перехода. Согласно хорошо изученной физике, разогретые электроны легче преодолевали бы барьер, и это привело бы к снижению его сопротивления и увеличению тока через переход. Оказалось, что этого не произошло. Сопротивление перехода падало только в «темноте».

Источник изображения: Nano Letters

Подобное возможно только в том случае, если в основе явления лежит квантовое туннелирование. Для тоннельного перехода важно, чтобы энергетические уровни электронов по обеим сторонам перехода были примерно одинаковы, а «нагрев» вносил дисбаланс. Значит, в случае p-n-перехода из двухслойного графена мы имеем дело с туннельным переходом, а не с классическим преодолением энергетического барьера, о чём исследователи сообщили в статье в ведущем журнале Nano Letters.

Дмитрий Свинцов, заведующий лабораторией оптоэлектроники двумерных материалов МФТИ, рассказал: «Обнаруженная нами ситуация оказывается очень перспективной для электроники. Во-первых, мы имеем высокую электронную подвижность в графене, что даёт возможность создания быстрых полупроводниковых приборов. Во-вторых, мы имеем туннельный характер транспорта, а это даёт возможность управлять током при малых напряжениях, то есть энергоэффективность. Подобной комбинации скорости и энергоэффективности было невозможно достичь в электронике на основе “классических” полупроводниковых материалов».

Французский исследовательский центр CEA-Leti разработал транзистор с примерно 50 состояниями, а не с двумя, как у современной цифровой электроники. «Аналоговый» транзистор имитирует работу синапсов в нервной ткани человеческого мозга и делает это довольно близко по таким характеристикам, как энергопотребление и скорость. Планируется, что на основе новых транзисторов будут построены нейронные процессоры нового поколения с впечатляющими возможностями.

Источник изображения: Pixabay

Возможно, эта разработка ближе всего подошла к имитации того, как взаимодействуют нейроны мозга, считают в CEA-Leti. Транзистор также миниатюрен как синапс, потребляет столько же и работает на том же принципе — срабатывает не по одному импульсу, а после прихода критической «массы» сигналов. Синапс ведь не отзывается на одиночные нервные импульсы. Для запуска сигнала дальше по нервной сети требуются множественные стимулирующие реакции через синапсы. Только тогда конкретный нейрон запустит потенциал по своей сети дендритов для передачи информации другим связанным с ним нейронам.

Другое сходство между новым транзистором и синапсом заключается в том, что оба они являются ионными. Транзистор использует преимущества той же электрохимической реакции, что и синапс. В случае с транзистором его канал состоит из оксида титана, через который проходят ионы лития. В зависимости от их количества они изменяют электронную проводимость канала. Благодаря этому транзистор потребляет 1 фДж/мкм², столько же, сколько синапс. Это в 100 раз меньше, чем у других возможных решений, включая перспективную резистивную память.

Толщина транзистора всего 200 нм, а число циклов переключения более 100 тыс. Исследователи научились выпускать массивы транзисторов на 200-мм кремниевых пластинах с использованием стандартных КМОП-совместимых техпроцессов. Массивы транзисторов были испытаны в работе на эталонном тесте MNIST на распознавание изображений и показали хороший результат. Но предстоит ещё большая работа по подтверждению квалификации транзисторов для использования в нейронных чипах.

«Все эти элементы обнадеживают, но мы находимся только на первых этапах процесса оценки. Мы должны продолжать доводить транзистор до зрелости и обеспечить углубленную оценку его долговечности и надежности», — объяснил один из учёных из CEA-Leti.

Международная группа учёных совместно с коллегами с Факультета физики твердого тела Токийского университета впервые показала условный транзистор всего из одной молекулы. Он выполнен из фуллерена. С помощью лазерного импульса транзистор направляет электрон из молекулы в ту или иную сторону и делает это до одного миллиона раза быстрее, чем переключатель из кремния. Фуллереновые транзисторы изменят представление о компьютерах, хотя произойдёт это не скоро.

Источник изображений: Yanagisawa

Грубо говоря, фуллерен — это углеродная трубка, только в виде шарика. Способность фуллерена испускать электроны и фотоны в присутствии электрических полей обнаружена более 70 лет назад. Надёжное теоретическое обоснование явлению дали только сейчас. Теоретическую и экспериментальную работу в основном проделали японские учёные. Поставленный опыт полностью совпал с теоретическими выкладками и открыл возможность практического использования явления, а оно очень и очень интересно.

«То, что нам удалось сделать — это управлять тем, как молекула направляет путь входящего электрона, используя очень короткий импульс красного лазерного света, — сказал ведущий автор работы Хирофуми Янагисава (Hirofumi Yanagisawa). — В зависимости от импульса света электрон может либо оставаться на своём стандартном пути, либо перенаправляться предсказуемым образом».

Происходящий в молекуле процесс условно напоминает работу стрелок на железнодорожном пути. Воздействие импульса лазера заставляет электрон отклоняться на другой путь и происходит это от 1000 до 1 млн раз быстрее, чем при переключении кремниевого транзистора. Более того, в зависимости от настройки лазерного импульса переключения могут быть одновременными и множественными. Иначе говоря, одна молекула фуллерена может работать как группа переключателей, хотя физически она будет одной-единственной. Надо ли говорить, что это многократно уменьшит размеры логических схем?

Открытие позволяет увеличить как производительность электроники, так и плотность размещения элементов. Другое дело, что на пути к её практической реализации много преград, включая главную — миниатюризация источников лазерных импульсов.

Как известно, США возрождают свою полупроводниковую промышленность. Заводы растут как грибы после дождя, но удовлетворить все потребности необъятного рынка микроэлектроники не выйдет ни при каких условиях. Учёные из США придумали, как обойти потребность в одном из важнейших элементов для современной электроники — в тактовых генераторах, которые нужны для работы многих сложных систем и которые выпускаются отдельно от контроллеров и процессоров.

Источник изображения: Second Bay Studios \ purdue.edu

Группа исследователей с Факультета электротехники и компьютерной инженерии Университета Пердью (Уэст-Лафайетт, штат Индиана) предложила превратить в тактовый генератор часть FinFET-транзисторов в самом микропроцессоре.

«В каждом элементе высокопроизводительной электроники используются FinFET, — сказала Дана Вайнштейн (Dana Weinstein), профессор и сотрудник университета, а также один из авторов разработки. — Интеграция этих функций [тактового генератора в чип] расширяет возможности нашей микроэлектроники за пределы просто цифровых микропроцессоров. Если технология изменится, мы сможем адаптироваться, но мы будем двигаться вперед с интегрированной микропроцессорной системой».

Иными словами, пока для выпуска чипов будет применяться технология FinFET с вертикальными транзисторными каналами, чипы могут нести в себе встроенные тактовые генераторы.

Тактовые генераторы необходимы для того, чтобы синхронизировать различные элементы в компьютерной системе — частота генератора используется в качестве эталона. Без тактового генератора ничего работать не будет. Традиционно тактовые генераторы используют резонаторы из кварца, а потому интегрировать их просто так в микросхему невозможно. В последнее время на смену тактовым генераторам с кварцевыми и пьезокерамическими резонаторами пришли интегрированные и настраиваемые тактовые генераторы на микроэлектромеханических схемах (МЭМС). Это одновременно и простое и сложное устройство. Однако без традиционных кварцевых устройств по-прежнему не обойтись.

Поэтому предложение американских учёных очень интересно и позволит сэкономить деньги и время. Идея со встроенным тактовым генератором следующая. Транзисторы FinFET могут не только переключаться (открываться и закрываться), но также работать в режиме удержания энергии — как своеобразный конденсатор, чему будет способствовать относительно большое вертикальное ребро транзисторного канала. Исследователи смогли подобрать такой режим переключения соседних транзисторов, что те попеременно создавали физическое давление на диэлектрическую плёнку (изолятор) между каналом (ребром) и затвором.

«Мы сжимаем эти слои между затвором и полупроводником, надавливая и притягивая эту тонкую область между затвором и ребром, — пояснил другой автор работы. — Мы делаем это попеременно на соседних транзисторах — один сжимаем, другой растягиваем — создавая вибрации в боковом направлении в устройстве».

Пара работающих таким образом FinFET транзисторов начинает переключаться с определённой резонансной частотой, превращаясь, по сути, в интегрированный резонатор. Но ещё интереснее, как частота акустических колебаний превращается в электронный сигнал! Колебания физически передаются другим соседним FinFET-транзисторам, что отражается на синхронном изменении их токовых параметров. Обработка и усиление такого сигнала создают тактовый сигнал с превосходными характеристиками.

«У вас будет один чип, который делает всё, вместо нескольких чипов, нескольких методов производства и нескольких наборов материалов, которые должны быть интегрированы — часто за рубежом, — резюмирует Дана Вайнштейн. — Америке необходимо развивать свои возможности в производстве чипов, и такое развитие решает множество проблем в области поставок, национальной безопасности и безопасности оборудования». К тому же, использование встроенных генераторов создаст трудности для хакеров, желающих атаковать блок тактового генератора по ряду побочных каналов (временные атаки с использованием задержек). На внешний генератор такую атаку провести сравнительно просто, тогда как до интегрированного генератора добраться будет просто невозможно.

Учёные из Рурского университета в Бохуме предложили невероятную концепцию переключателей (транзисторов), которые работают намного быстрее современных полупроводников. В основе перспективных электронных приборов предложено использовать солёную воду. Управление затворами возложено на лазеры, они же будут создавать условия для работы затворов. Такие схемы смогут работать с частотой 1 ТГц и это открывает путь к принципиально новой производительности процессоров.

Источник изображения: Adrian Buchmann

Сразу подчеркнём, что речь идёт лишь о новой и испытанной в лабораторных условиях концепции. Что из этого получится и получится ли вообще что-то, этого сегодня никто не знает. Даже учёные, которые всё это придумали и испытали. С самой работой можно ознакомиться в статье в журнале APL Photonics. Она свободно доступна по ссылке.

Для любого человека, мало-мальски представляющего себе, что такое электрический ток, вода представляется крайне опасной. Тем удивительнее опыт использования воды в качестве базового переключателя состояний электронной схемы.

Для эксперимента учёные заказали специальное сопло для придания струе воды заданной экспериментом конфигурации — плоской струи микронной толщины. Для придания воде заданной проводимости в ней были растворены соли, наделившие её йодид-ионами. Работает такой водный транзистор под воздействием двух лазеров: один лазер выбивает электроны из растворимых солей и ещё сильнее ионизирует жидкость — фактически кратно повышая её проводимость, а второй лазер считывает состояние, в котором находится вода, попутно управляя включением и выключением водного транзистора.

Высокая скорость работы лазера обеспечивает воде скорость переключения состояния за считанные пикосекунды. Тем самым потенциальная скорость работы процессора на таких транзисторах переходит в терагерцовый диапазон. Современные полупроводниковые материалы даже не мечтают туда попасть. Но окажутся ли там транзисторы из воды — это тоже вопрос.