Исследователи из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США разрабатывают чипы следующего поколения, которые будут меньше, тоньше и эффективнее. Исследовательская группа, возглавляемая Шоаибом Халидом, изучает использование дихалькогенида переходного металла (TMD) для замены кремния в процессорах.
В интервью Tom’s Hardware Шоаиб сказал: “Чипы становятся все меньше и меньше, так что их предел почти достигнут с точки зрения функциональности и размера”. Закон Мура гласит, что количество транзисторов в полупроводниках будет удваиваться каждые два года. Однако, по мере уменьшения технологических узлов, ожидается, что выполнение закона Мура замедлится до трех лет вместо обычных двух. После этого мы вскоре достигнем физических пределов полупроводников, поскольку начнем достигать двухнанометрового масштаба или меньше.
Шоаиб и его команда исследуют использование TMD в качестве 2D-материала для замены текущей конструкции 3D-чипа. TMDS могут быть толщиной всего в три атома и действовать как металлический сэндвич — в ‘хлебе’ используются элементы халькогена, также известные как элементы из семейства кислородных. Это может быть кислород, сера, селен или теллур. Начинкой для ‘сэндвича’ может служить любой переходный металл.
Поскольку TMD настолько тонкие, крошечные изменения, такие как отсутствие или дополнительный атом в любом слое, могут повлиять на характеристики материала. Хотя эти изменения называются ‘дефектами’, они не обязательно являются нежелательным явлением. Например, присутствие водорода в процессе производства TMD вызывает избыток электронов. Это придает TMD отрицательный заряд.
Шоаиб сказал: “В зависимости от типа и природы дефектов они по-разному ведут себя в материале и могут изменять свойства материала. Например, могут создавать избыточные электроны в материале, делая его n-типа (материал с большим количеством электронов) или создавать больше дырок, делая его p-типа (материал с большим количеством дырок или положительным зарядом).”
Компьютерные чипы используют комбинацию отрицательно заряженных (n-типа) и положительно заряженных (p-типа) материалов для обеспечения лучшей электропроводности. Современные полупроводниковые технологии используют легирование для достижения этих свойств. Зная, как возникают дефекты в TMDS, мы можем затем создавать эти материалы n-типа и p-типа, но в атомарном масштабе.
Принципы, лежащие в основе кремниевых полупроводников и TMD, одинаковы, но последние имеют ряд преимуществ. Шоаиб говорит, что TMD имеют настраиваемые запрещенные зоны, контролируемые изменением количества слоев; они могут быть тонкими, как монослой, высотой всего в три атома. Для их создания можно использовать различные материалы, и они гибкие, но долговечные. “В конечном итоге цель состоит в том, чтобы получить более умные и дешевые чипы”.
Проблемы, которые Шоаиб и его команда решают сегодня, вероятно, те же, с которыми исследователи, работающие над первыми полупроводниками, сталкивались 50 лет назад. Однако они работали в большем масштабе с точки зрения размера. Команда PPPL решает ту же проблему, но на атомарном уровне.
Итак, как скоро мы увидим TMD в наших телефонах и ПК? TSMC уже рассматривает 1-нм чипы, а другие компании представляют дорожную карту для субнанометровых транзисторов к 2036 году. “Такие компании, как Intel, уже работают над созданием транзисторов из этих TMD, - говорит Шоаиб. “Я думаю, к 2030 году у нас может появиться настоящий TMD-транзистор, который можно будет использовать в устройствах”.
