Транзисторы — это микроскопические переключатели, которые управляют током. Эти компоненты бывают двух типов: в одних энергию переносят электроны (n-тип), в других — так называемые дырки, или квазичастицы с положительным зарядом (p-тип). В современных микросхемах объединяют оба вида для скорости и экономии энергии.
Двумерные полупроводники толщиной меньше нанометра могли бы сделать такие чипы компактнее. Эти наноструктуры можно укладывать в несколько слоев друг на друга, поэтому на той же площади помещается больше транзисторов. Но к ним непросто подводить заряд. Обычный металлический контакт может повредить хрупкую структуру, а на месте контакта возникает энергетический барьер. К тому же n- и p-каналы требуют разных электродов.
Группа ученых из KAIST, Университета Ёнсе и других научных центров выяснила, что решить эту проблему можно с помощью одного материала — диселенида олова (SnSe₂). Такой слоистый полупроводник не образует прочных химических связей с проводящим каналом, а контактирует с ним лишь благодаря слабым силам Ван дер Ваальса, сохраняя тонкий слой неповрежденным. Также этот материал подходит для обоих типов транзисторов. Работа опубликована в журнале Advanced Materials.
Один материал вместо двух
С разными полупроводниками SnSe₂ ведет себя по-разному, но в каждом случае помогает заряду пройти. С p-типом материал создает условия, при которых ток проникает сквозь барьер за счет квантового эффекта. А в паре с n-типом управляющее поле сужает барьер, и электроны проходят через него. Так один и тот же материал заменяет два разных контакта.
В p-типовых транзисторах на основе диселенида вольфрама (WSe₂) слой SnSe₂ увеличил максимальный ток более чем в 1000 раз по сравнению с обычными никелевыми электродами. А в n-типовых транзисторах с дисульфидом молибдена (MoS₂) материал позволил добиться мгновенного переключения, при котором рабочий ток превышает ток утечки более чем в миллиард раз. На базе этих компонентов команда собрала CMOS-инвертор — базовый элемент цифровых схем, объединяющий p- и n-каналы. Он надежно срабатывал при повторяющихся входных сигналах.
Путь к трехмерным чипам
Исследователи уверены, что по мере развития технологий выращивания двумерных полупроводниковых пленок и их массового производства эти материалы можно будет укладывать в несколько слоев и получать трехмерные чипы.
Это позволит разместить больше транзисторов на той же площади и выполнять больше функций при меньшем энергопотреблении, что важно для ИИ-процессоров следующего поколения и сверхэкономичной электроники.
Ранее Наука Mail рассказывала о чипах, созданных по образцу человеческого мозга.