Problem w tym, że tego typu nowe technologie od lat mają jedną wspólną przypadłość. Świetnie wyglądają i obiecują rewolucję, ale znacznie gorzej radzą sobie wtedy, kiedy trzeba zrobić z nich coś przypominającego prawdziwą elektronikę. Dlatego najnowsze badanie opublikowane w “Nature” jest pod tym względem szczególnie interesujące, bo naukowcy nie pokazali pojedynczego efektownego tranzystora. Wytworzyli cały materiał na waflu, zbudowali 224 urządzenia i otrzymali obiecujące wyniki, które w części parametrów wyprzedzają cele przemysłu półprzewodnikowego na 2031 rok.
Elektronika grubości atomu nadal miała jeden duży problem
Współczesne układy logiczne wykorzystują dwa uzupełniające się rodzaje tranzystorów. W tranzystorach typu n głównymi nośnikami ładunku są elektrony, natomiast w typu p rolę tę pełnią “dziury”, czyli brakujące elektrony zachowujące się w materiale jak dodatnie nośniki. Właśnie ten drugi typ od dawna jest jednym z największych problemów elektroniki opartej na materiałach dwuwymiarowych.
Czytaj też: Ten komputer działa w kropli wody. Jest miniaturowy, a i tak wykonuje zaawansowane obliczenia
Wydajne atomowo cienkie materiały typu n udało się już znaleźć, ale ich odpowiedniki typu p często cierpiały na słabsze przewodnictwo, problemy ze stabilnością albo trudności produkcyjne. Pisałem już zresztą o podobnym problemie przy mikroskopijnej szczelinie między materiałem 2D a warstwą izolacyjną. Sam atomowo cienki półprzewodnik nie wystarczy. Potrzebne są jeszcze odpowiednie kontakty, izolacja, bramka oraz metoda produkcji, którą da się powtarzać setki milionów razy.
Naukowcy podmienili atomy w izolatorze
Zespół kierowany przez Vincenta Tunga z Uniwersytetu Tokijskiego wykorzystał azotek boru, czyli materiał o strukturze przypominającej plaster miodu, który normalnie pełni rolę izolatora. Badacze zaczęli zastępować część atomów azotu atomami węgla, a to dlatego, że węgiel ma o jeden elektron walencyjny mniej niż azot, więc taka zamiana pozostawia w strukturze “dziurę”. Jeśli materiał zachowa przy tym swoją uporządkowaną strukturę, to takie dziury mogą się swobodnie przemieszczać. Właśnie w ten sposób powstał BCN, czyli półprzewodnik złożony z boru, węgla i azotu, który działa jako materiał typu p.
Cała sztuka polegała na tym, żeby węgiel nie zaczął tworzyć własnych skupisk. Naukowcy zastosowali więc dwa prekursory dostarczające składniki w różnym tempie, dzięki czemu ograniczyli grupowanie się atomów węgla i uzyskali równomierną monowarstwę. Co ważne, nie skończyło się na mikroskopijnym fragmencie materiału. BCN udało się wyhodować na waflu o średnicy 2 cali, czyli około 50,8 mm, a pojedyncza warstwa miała około 0,5 nm grubości i dopiero tutaj robi się naprawdę ciekawie.
Czytaj też: Oczy i komputer trafiły do pocisku. Zmiana wręcz przerażająca
Na dalszych etapach swojej pracy badacze przenieśli BCN na warstwę tlenku hafnu, dodali metaliczne kontakty i zbudowali 224 tranzystory pochodzące z trzech oddzielnych procesów wzrostu materiału. Zmierzona ruchliwość dziur sięgnęła około 100 cm²/Vs, prąd w stanie włączenia przekraczał 0,9 mA na każdy mikrometr szerokości kanału, a stosunek prądu w stanie włączenia do wyłączenia dochodził do około 100 milionów do jednego. Materiał zachował przy tym stabilność w zwykłym powietrzu.
Większość przetestowanych tranzystorów osiągnęła parametry przekraczające cele przewidywane dla przyszłych technologii półprzewodnikowych na 2031 rok. Nie oznacza to jednak, że oto właśnie powstał “procesor z 2031 roku”. Porównywane tranzystory różnią się konstrukcją i warunkami pomiarowymi, więc mamy raczej bardzo mocny dowód na potencjał samego materiału niż gotową technologię produkcyjną.
Procesory przyszłości mogą nie tylko maleć, ale też rosnąć w górę
BCN staje się jeszcze ciekawszy wtedy, kiedy zestawimy go z atomowo cienkimi materiałami typu n, takimi jak dwusiarczek molibdenu. W teorii pozwalałoby to budować kompletne układy logiczne CMOS oparte na materiałach dwuwymiarowych. Jeszcze większy potencjał widzę jednak w układach trójwymiarowych. Pisałem już o tym przy monolitycznych układach 3D, bo tak się składa, że dalszy rozwój komputerów wcale nie musi oznaczać wyłącznie coraz agresywniejszego ściskania tranzystorów obok siebie. Jeśli poszczególne warstwy elektroniki są ekstremalnie cienkie, można zacząć układać je nad sobą i zwiększać gęstość całego układu również w pionie.
BCN świetnie pasuje do takiego scenariusza. Jedna warstwa ma około pół nanometra grubości, a badacze pokazali już możliwość wzrostu materiału nie tylko na płaskich powierzchniach, ale również na odpowiednio przygotowanych strukturach krzemowych. Droga do komercyjnych procesorów pozostaje jednak długa, bo tranzystory trzeba zmniejszyć, poprawić metaliczne kontakty, połączyć materiał z równie dobrym odpowiednikiem typu n i przede wszystkim obniżyć temperaturę produkcji.
Czytaj też: Tak powstaje materia. Naukowcy odtworzyli ten proces na komputerze kwantowym
Ważne jest jednak to, że już teraz naukowcy mają atomowo cienki materiał typu p, potrafią wytworzyć go na całym waflu i zbudowali z niego setki działających tranzystorów. Procesor przyszłości jeszcze więc nie powstał, ale jedna z ważniejszych brakujących części całej układanki zaczyna właśnie wyglądać znacznie bardziej realnie.
Źródła: Nature, Uniwersytet Tokijski
