Эра кремния подходит к концу.
Не сегодня и не завтра, но физические пределы уже на горизонте. Мы упаковали миллиарды транзисторов в современные процессоры, сжимая материал до состояния, когда он больше не хочет уменьшаться. Если мы хотим более быстрые компьютеры, нам придется найти новые пути, а не просто делать миниатюрные копии того, что у нас уже есть.
Ученые всерьез заинтересовались дисульфидом молибдена (MoS2).
Это вещество относится к семейству дихалькогенидов переходных металлов (TMD). Оно атомарно тонкое: всего три атома толщиной, где слой молибдена «зажат» между слоями серы. Перспективы? Абсолютно огромные. Проблема не в самом материале. Трудность заключается в том, как нанести его на чип, не разрушив структуру.
Хрупкая «хирургия»
Производителям необходимо аккуратно удалить верхний слой серы, оставив молибден нетронутым. Это невероятно деликатная работа.
На сегодняшний день для этого используется плазма. Высокоскоростные частицы, находящиеся в состоянии материи, аналогичном солнечному — областью, которую Принстонская лаборатория плазменной физики (PPPL) Министерства энергетики США изучает уже 75 лет. Когда ионы плазмы ударяют по поверхности TMD, они выбивают атомы серы.
Но физика здесь играет против нас.
Запас прочности практически отсутствует: грань между «сера отлетает» и «молибден разрушается» тонка как волос. Удар слишком сильный? Вахрна портится. Слишком слабый? Ничего не происходит. Из-за наложения энергетических порогов стабильное массовое производство стало настоящим кошмаром.
Юрий Поляченко и его команда нашли своеобразный «чит-код».
Они покрыли материал кислородом или фтором перед тем, как подвергнуть его воздействию плазмы. Компьютерные симуляции, опубликованные в журнале The Journal of Physical Chemistry Letters, показывают, что энергия, необходимая для удаления серы, резко падает. С примерных 30 электрон-вольт она снижается до 14 эВ при использовании кислорода. А при применении фтора падает еще сильнее — примерно до 10 эВ.
Почему это так важно?
Плазма неоднородна. Ионы несут разную энергию. На необработанном материале эта вариативность неизбежно приводит к сопутствующему ущербу. Понижая порог удаления, мы расширяем зазор безопасности. Теперь можно аккуратно剥离ть верхний слой, оставив остальную часть структуры в целости.
«Мы не разрываем связи напрямую… Мы формируем промежуточные продукты, такие как диоксид серы. Этот промежуточный продукт гораздо легче оторвать».
Вовлечение химии в процесс спасает аппаратную часть. Когда ионы ударяют по поверхности, покрытой кислородом, атомы кислорода «захватывают» атомы серы. Они связываются, образуя диоксид серы — стабильный газ, который самостоятельно улетучивается. Фтор создает похожие летучие соединения. Этот метод превращает грубый физический удар в целенаправленную химическую реакцию.
А масштабируется ли этот процесс?
Поляченко, ведущий автор исследования и аспирант Принстона, призывает к осторожности и не спешит объявлять о полной победе.
Сейчас мы знаем, вызывает ли процесс повреждения. Следующий шаг — измерить, какой именно ущерб наносится в различных условиях. Настоящий тест пройдет, когда исследователи заменят элементы. Молибден заменят на вольфрам, а серу — на селен. Нужно проверить, сработает ли этот трюк с кислородом/фтором на других представителях семейства TMD.
Исследование поддерживалось Министерством энергетики США и различными федеральными центрами. Симуляции проводились на суперкомпьютерах Национального центра вычислительных исследований энергетики (NERSC) и кластерах Принстонского университета.
Если эти выводы подтвердятся, барьер кремния будет преодолен.
Возможно, не мгновенно. Чипы — сложные создания. Но на мгновение будущее перестает выглядеть как тупик и становится похожим на узкую дверь. Дверь толщиной в один атомный слой.
Думаете, TMD действительно заменят кремний?
Скорее всего, да.
Но не раньше, чем мы сломаем еще несколько пластин.
