Прорыв в двумерной электронике: p-типа транзисторы превзошли стандарты 2031 года

Ученые из Токийского университета и других учреждений создали атомарно тонкий полупроводник на основе нитрида бора-углерода (BCN), который эффективно проводит положительные заряды — «дырки». Это открытие, опубликованное в журнале Nature, решает давнюю проблему p-типа транзисторов для чипов толщиной в один атом.

Современная электроника держится на двух типах транзисторов, которые работают в паре. В одних ток переносят отрицательно заряженные электроны, в других — положительно заряженные «дырки», то есть пустые места, остающиеся после ухода электрона. И если с материалами, хорошо проводящими электроны, у исследователей проблем не было, то найти достойный аналог для дырок оказалось на удивление трудно. Эта асимметрия долгое время тормозила создание полноценных микросхем из двумерных материалов, ведь без равноценной пары транзисторов невозможно собрать энергоэффективную и компактную логику.

Исследователи подошли к задаче с неожиданной стороны. Они взяли нитрид бора — атомарно тонкий изолятор с сотовой структурой, напоминающей пчелиные соты, и заменили в нем часть атомов азота на атомы углерода. Чтобы углерод не собирался в комки, а распределялся равномерно, ученые использовали два газовых компонента: один постоянно поставлял бор и азот, а другой медленно отдавал углерод. Такой метод эпитаксиального роста позволил вырастить пленки BCN размером с целую пластину, причем не только на подложке, но и на кремниевых чипах с заранее заданным рисунком. Это важный шаг к массовому производству.

Когда пленки изучили под микроскопом с атомным разрешением, оказалось, что углерод действительно встроился в решетку, заняв места азота. Поскольку у углерода на один внешний электрон меньше, чем у азота, каждая такая замена оставляла после себя дырку. Но самое главное то, что сотовая структура материала почти не нарушалась. Это означало, что дырки могли свободно перемещаться, а не застревать в дефектах.

На практике это вылилось в выдающиеся характеристики: подвижность дырок достигла 100 квадратных сантиметров на вольт-секунду, ток во включенном состоянии превысил 0,9 миллиампера на микрометр, а соотношение токов включения и выключения составило 10⁸. Для сравнения, большинство существующих p-типа двумерных полупроводников такими показателями похвастаться не могут.

Исследователи изготовили и протестировали 224 транзистора в обычных условиях, и многие из них превзошли целевые ориентиры, которые чиповая индустрия ставит перед собой к 2031 году. Материал при этом оставался стабильным на воздухе, что немаловажно для реальных устройств.

Правда, есть и нерешенные вопросы. Металлические контакты, соединяющие BCN с внешней проводкой, пока не оптимизированы, а температура роста материала составляет около 1000 градусов Цельсия, что может повредить нижележащие слои. Ученым еще предстоит уменьшить размеры транзисторов и снизить температуру синтеза, но если эти барьеры удастся преодолеть, технология может стать достаточно масштабируемой для коммерческого внедрения.

В результате исследования впервые удалось создать стабильный, масштабируемый и высокоэффективный p-типа полупроводник на основе атомарно тонкого BCN, который по ключевым характеристикам обходит существующие аналоги. Это открытие закрывает важнейший пробел в наборе материалов для трехмерной монолитной интеграции комплементарной электроники — будущих чипов, где тонкослойные n- и p-транзисторы будут соединены послойно, обеспечивая рекордную плотность и энергоэффективность.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях