На отраслевой конференции ITF World 2023 в бельгийском Антверпене генеральный менеджер по развитию технологий Intel Энн Келлехер (Ann Kelleher) рассказала о последних разработках компании в нескольких ключевых областях. Одним из самых интересных откровений этого выступления стало то, что в будущем Intel будет использовать многослойные транзисторы CFET или комплементарные FET (Сomplementary FET).

Источник изображений: Intel

Intel впервые отметила многослойные транзисторы CFET в рамках своей презентации, однако Келлехер не назвала сроки начала производства чипов с такими транзисторами. Сама технология комплементарных FET была впервые представлена международным научно-исследовательским центром Imec в 2018 году.

На изображении выше можно увидеть внешний вид транзистора CFET в представлении компании Intel (обведён красным кругом). В нижней части изображения представлены старые поколения транзисторов, а 2024 год ознаменовывает переход Intel на использование новых RibbonFET — транзисторов с нанолистами и круговым затвором (nanosheet GAAFET). Они будут выпускаться с использованием техпроцесса Intel 20A и содержать четыре нанолиста, каждый из которых будет окружён затвором. По словам Келлехер, разработка RibbonFET ведётся в соответствии с графиком, и они должны дебютировать в следующем году. В RibbonFET используется конструкция с окружающим затвором, позволяющая увеличить плотность транзистора, повысить скорость его перехода из одного состояния в другое и при этом без значительных жертв с точки зрения энергопотребления.

Стилизованное изображение CFET-транзистора Intel выше несколько отличается от первых изображений этих транзисторов, представленных Imec (показаны ниже), но в целом Intel своим изображением передаёт их суть — в CFET будут использоваться восемь нанолистов, что вдвое больше, чем у RibbonFET. Это позволит ещё сильнее повысить плотность транзисторов. Для сравнения, на изображениях ниже также показаны другие типы транзисторов (планарный FET, FinFET и RibbonFET).

Конструкция CFET-транзистора предполагает расположение рядом друг с другом полупроводниковых элементов n-типа (pFET) и p-типа (pFET). В настоящий момент рассматривается два варианта CFET-транзисторов — монолитные (monolithic) и последовательные (sequential). Второй вариант отличается более высокой и широкой конструкцией. В правой части изображения ниже представлены четыре варианта конструкции CFET-транзисторов. Какой из них в конечном итоге выберет Intel — неизвестно. И узнаем мы это нескоро, поскольку Imec считает, что CFET-транзисторы появятся на рынке не ранее момента, когда техпроцесс производства чипов не сократится до уровня 5 ангстрем, что в свою очередь ожидается не ранее 2032 года.

Источник изображения: Imec

Конечно, никто не исключает, что Intel не будет следовать этим временным рамкам и придёт к выпуску новых транзисторов гораздо раньше. Примечательно, что на продемонстрированном компанией изображении переход к CFET-транзисторам идёт после нанолистовых GAA-транзисторов RibbonFET, минуя разветвлённые GAA-транзисторы (forksheet GAAFET), которые рассматриваются отраслью в качестве переходного звена от нанолистов к CFET. Конструкция разветвлённых GAA-транзисторов отображена на изображении выше — второй рисунок слева.

Поскольку презентационный слайд Intel оказался не очень детальным, вполне возможно, что компания тоже планирует использовать разветвлённые GAA-транзисторы перед переходом на CFET, но пока просто не готова поделиться информацией на этот счёт.

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.