Тонкий скачок вперед: первый в мире функциональный 2D-микрочип

May 30, 2023

Автор: Университет науки и технологий имени короля Абдаллы (KAUST), 4 июня 2023 г.

Профессор KAUST Марио Ланца и его коллеги успешно разработали первый в мире 2D-микрочип с использованием синтетических материалов. Несмотря на проблемы с изготовлением, команда успешно создала чип, функционирующий как высокопроизводительный элемент нейронной сети с низким энергопотреблением, открыв двери для развития технологии микрочипов. Фото: © 2023 КАУСТ; Марио Ланца

Первая демонстрация функционального микрочипа, объединяющего атомарно тонкие двумерные материалы с экзотическими свойствами, знаменует новую эру микроэлектроники.

В KAUST изготовлен первый в мире полностью интегрированный и функциональный микрочип на основе экзотических двумерных материалов. Этот прорыв демонстрирует потенциал 2D-материалов для расширения функциональности и производительности технологий на основе микрочипов.

Since the first fabrication of atomically thin layers of graphite — called grapheneGraphene is an allotrope of carbon in the form of a single layer of atoms in a two-dimensional hexagonal lattice in which one atom forms each vertex. It is the basic structural element of other allotropes of carbon, including graphite, charcoal, carbon nanotubes, and fullerenes. In proportion to its thickness, it is about 100 times stronger than the strongest steel." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> графен — в 2004 году к таким материалам для передовых и новых применений проявился большой интерес из-за их экзотических и многообещающих физических свойств. Но, несмотря на два десятилетия исследований, функциональные микроустройства на основе этих 2D-материалов оказались невозможными из-за проблем с изготовлением и обращением с такими хрупкими тонкими пленками.

Вдохновленная недавними достижениями лаборатории Ланцы в области функциональных 2D-пленок, коллаборация под руководством KAUST создала и продемонстрировала прототип микрочипа на основе 2D.

«Нашей мотивацией было повысить уровень технологической готовности электронных устройств и схем на основе 2D-материалов за счет использования обычных кремниевых КМОП-микросхем в качестве основы и стандартных технологий изготовления полупроводников», — говорит Ланца. «Однако проблема заключается в том, что синтетические 2D-материалы могут содержать локальные дефекты, такие как атомные примеси, которые могут привести к выходу из строя небольших устройств. Кроме того, очень сложно интегрировать 2D-материал в микрочип, не повредив его».

Исследовательская группа оптимизировала конструкцию чипа, чтобы упростить его изготовление и минимизировать влияние дефектов. Они сделали это, изготовив стандартные комплементарные металлооксидно-полупроводниковые (КМОП) транзисторы на одной стороне чипа и проведя межсоединения на нижнюю сторону, где 2D-материал можно было надежно переносить на небольших площадках диаметром менее 0,25 микрометра.

«Мы произвели 2D-материал — гексагональный нитрид бора, или h-BN, на медной фольге — и перенесли его на микрочип с помощью низкотемпературного мокрого процесса, а затем сформировали электроды поверх него с помощью обычного вакуумного испарения и фотолитографии, которые — это процессы, которые у нас есть внутри компании», — говорит Ланца. «Таким образом, мы создали массив 5×5 ячеек с одним транзистором/одним мемристором, соединенных в перекрестную матрицу».

Экзотические свойства 2D h-BN толщиной всего 18 атомов или 6 нанометров делают его идеальным «мемристором» — резистивным компонентом, сопротивление которого можно регулировать приложенным напряжением. В схеме 5×5 каждая микромемристорная площадка подключена к одному выделенному транзистору. Это обеспечивает точный контроль напряжения, необходимый для работы мемристора как функционального устройства с высокой производительностью и надежностью в течение тысяч циклов, в данном случае как маломощного элемента нейронной сети.

«Благодаря этому флагманскому прорыву мы сейчас ведем переговоры с ведущими полупроводниковыми компаниями о продолжении работы в этом направлении», — говорит Ланца. «Мы также рассматриваем возможность установки нашей собственной промышленной системы обработки 2D-материалов в масштабе пластины в KAUST, чтобы расширить эти возможности».