Исследователи факультета электротехники и вычислительной техники хайфского Техниона продемонстрировали контроль над новым материалом, который они рассматривают как возможную будущую альтернативу кремнию в микроэлектронике.
Rami Shelush, Technion spokesperson’s office Система выращивания оксидов в Технионе
Сегодня ученые и инженеры сталкиваются с трудностями в дальнейшем уменьшении размера транзисторов — важного фактора производительности компьютерных чипов. Интегральные схемы, более известные как компьютерные чипы или просто чипы, стали фундаментом почти всех современных технологий, обеспечивая обработку, хранение и передачу огромных объемов данных. Чипы решают бесчисленное множество задач, включая разработку вакцин, проектирование космических кораблей, интернет-инфраструктуру, большие массивы данных, автономные транспортные средства, искусственный интеллект и интернет вещей.
Постоянное улучшение производительности этих чипов было обусловлено уменьшением размера их самой простой логической части — транзистора. Транзисторы — это миниатюрные переключатели, которые контролируют поток электрического тока, аналогично крану, контролирующему поток воды. Еще в начале 1960-х годов Гордон Мур, основатель Intel, предположил, что скорость миниатюризации транзисторов позволит удваивать количество транзисторов на единицу площади каждые 2 года. Это предсказание, сформулированное как закон Мура, определяло скорость миниатюризации на протяжении целых десятилетий. В настоящее время квадратный сантиметр современного чипа содержит миллиарды транзисторов.
Однако уже в 2007 году Мур заявил, что действие его закона закончится через несколько лет, а в прошлом году генеральный директор компании графических процессоров и плат Nvidia выразил еще более пессимистическую точку зрения, заявив, что «закон Мура уже мертв», и сегодня эту точку зрения разделяют и другие эксперты в области технологий.
Профессор Лиор Корнблюм с факультета электротехники и вычислительной техники Техниона объясняет, что «в результате непрерывной миниатюризации современные транзисторы имеют в поперечнике всего несколько десятков атомов. Поскольку они уже настолько малы, продолжение миниатюризации без ущерба для их производительности становится все более сложной задачей. В нанометрическом масштабе транзисторы меняют свои функции и их работа становится непредсказуемой.
Одним из проявлений этой проблемы является утечка электрического тока в то время, когда транзистор, казалось бы, должен быть выключен. Проф. Корнблюм: «Представьте себе миллиард протекающих кранов. Утечки тока из транзисторов приведут в суммме к большой потере энергии и ресурсов — так, в современном мобильном телефоне с миллиардами транзисторов такая утечка может быстро разрядить аккумулятор и привести к перегреву прибора. Проблема становится еще более серьезной, когда речь идет о фермах серверов и центрах обработки данных».
Одним из перспективных направлений решения этой проблемы является поиск альтернатив кремнию, «рабочей лошадке» современных чипов. Исследовательская группа проф. Корнблюма изучает различные оксидные материалы, один из которых обладает полезным свойством: он может превращаться из электрического проводника в изолятор — и обратно. Исследователи хотят использовать это свойство для будущих транзисторов, чтобы повысить эффективность их переключения.
Разработка такой технологии требует точного контроля, и ученые Техниона продемонстрировали способ управления электрическими свойствами материала, точно контролируя расстояние между его атомами. Менеджер лаборатории доктор Мария Баскин добилась этого с помощью уникальной системы выращивания оксидов; она накладывала слои атомов один поверх другого, тем самым выращивая пленки материала. Благодаря этому деликатному процессу роста она смогла установить расстояния между атомами с точностью до пикометра (одна тысячная нанометра). Для сравнения — расстояние между двумя атомами кремния составляет примерно четверть нанометра или 250 пикометров.
Созданная в Технионе уникальная система выращивания оксидов позволяет разрабатывать следующие поколения полупроводников, магнитных материалов и материалов для возобновляемых источников энергии, таких как передовые катализаторы. По словам д-ра Баскин, «используя эти возможности, мы можем даже создавать материалы, которых раньше не существовало, с широким набором свойств в соответствии с нашими требованиями».
«Инструменты, которые мы разработали для выращивания оксидов, уникальны», — добавляет глава лаборатории проф. Корнблюм. «Выращивание оксида — это только первый шаг, отсюда начинается исследование. Часть наших аспирантов занимаются физическими свойствами материалов, стремясь понять, как они функционируют, другие используют эти материалы для изготовления электронных устройств, которые, как мы надеемся, произведут революцию в микроэлектронике, возобновляемых источниках энергии и других областях».
Докторант исследовательницы Ли-Шай Шоам посвящен обоим этим направлениям вместе. Ли-Шай изучает свойства материала и делает из него транзисторы для использования в микроэлектронике. В своем последнем проекте она возглавляла группу из двенадцати колег из восьми исследовательских институтов и компаний, расположенных в Швейцарии, Японии, Франции и США. Их совместные усилия показали, что при растяжении материала на атомном уровне удлинение химических связей между атомами изменяет электрические свойства: растянув образец менее чем на 2% длины атомной связи, исследователи уменьшили тенденцию электронов «прыгать» с атома на атом. атомировать. Благодаря этим крошечным изменениям, которые происходят в масштабе одного пикометра, исследователи создали основу для управления переходом материала из проводящего состояния в изолирующее.
По ее словам, «удивительно видеть, как такие незначительные изменения в атомной структуре материала оказывают такое большое влияние на электрические свойства. Мы проверили наш материал на синхротроне в Швейцарии и увидели, как крошечные сдвиги влияют и на расположение электронов, и на их поведение. Это научные основы, которые нам нужны для разработки будущих транзисторов из этих нетрадиционных материалов».
Источник: пресс-службы Техниона — Израильского технологического института
