Атомная матрёшка: как японцы впихнули полупроводник в трубку диаметром 1 нанометр

Кремниевая эра постепенно упирается в физическую стену, и учёные по всему миру пытаются найти выход из этого тупика. На этот раз прорыв пришёл из Японии. Группа исследователей, в которую вошли специалисты Токийского университета (The University of Tokyo), объявила о создании одних из самых тонких полупроводниковых нанотрубок в мире. Их диаметр составляет всего один нанометр — это примерно в 100 тысяч раз меньше толщины человеческого волоса.

Проблема стабильности и метод «матрёшки»

Основная проблема с ультратонкими неорганическими структурами заключается в том, что их крайне сложно сделать стабильными. До сих пор большинство подобных материалов либо выходили слишком «толстыми», либо требовали дополнительных внутренних опор, которые портили все полезные свойства. Японцы подошли к вопросу с другой стороны, использовав метод, напоминающий построение матрёшки.

В качестве внешней «формы» учёные использовали нанотрубки из нитрида бора. Этот материал является отличным изолятором и в то же время способен удерживать структуру при нагревании. Внутри этой оболочки формировалась ультратонкая трубка из дисульфида молибдена (MoS2) — перспективного полупроводника, который давно рассматривается как замена кремнию. Ограниченное пространство заставило атомы выстраиваться в почти идеальном порядке, минимизируя количество дефектов.

Почему это лучше кремния и углерода

Сегодняшние кремниевые чипы изготавливают методом травления. На «атомных» масштабах этот процесс становится слишком грубым: неизбежно возникают дефекты поверхности, приводящие к утечке тока. Новые нанотрубки формируются с атомной точностью, что автоматически устраняет эту проблему.

Если сравнивать с углеродными нанотрубками, то дисульфид молибдена выглядит гораздо более предсказуемым. У углерода есть неприятная особенность: малейшее отклонение в структуре может превратить полупроводник в обычный проводник, что для транзистора фатально. Материалы на основе MoS2 сохраняют свои характеристики стабильными, что критически важно для промышленного производства, — отмечают авторы исследования в журнале Nature.

Будущее архитектуры GAA

Полученная конструкция идеально вписывается в концепцию транзисторов с круговым затвором (Gate-All-Around, GAA). Это та самая архитектура, на которую сейчас переходят ведущие производители процессоров для достижения техпроцессов ниже 3 нм. Эксперименты подтвердили: с уменьшением диаметра нанотрубки её электронные свойства меняются, что позволяет гибко управлять характеристиками будущего устройства.

Сейчас команда работает над тем, чтобы увеличить длину этих трубок с нескольких сотен нанометров до микрометра и больше. Если технологию удастся масштабировать, мы получим фундамент для следующего поколения вычислительной техники, где мощность не будет ограничиваться физическими недостатками кремния.

Пока одни учёные погружаются в микромир атомов, другие пытаются решить проблемы космического масштаба. Например, Илон Маск планирует «оживить» Марс, хотя для реализации таких амбициозных планов ему точно понадобятся надёжные процессоры на новых нанотрубках.