На 397 из 400 участков двухсантиметровой подложки корейские исследователи получили по одному кристаллу, а не хаотичный набор зёрен. Для двумерных полупроводников это важный результат: контролируемый старт роста может снять одно из главных производственных ограничений материалов, которые рассматривают для чипов следующего поколения.
Команда KAIST и южнокорейского стартапа TDS Innovation научилась подавлять образование кристаллов везде, кроме геометрического центра заданного участка, сообщает The Register. Подход уже проверили на рабочих полевых транзисторах из дисульфида молибдена — материала класса TMD — и авторы заявили о более высокой подвижности носителей заряда по сравнению с ранее опубликованными транзисторами из селективно выращенного MoS₂.
Проблема не в том, что кристаллы не умеют расти, а в том, что они слишком самостоятельны. При выращивании на пластине двумерные материалы обычно зарождаются в случайных точках. Несколько кристаллов расширяются, сталкиваются и образуют границы зёрен. Эти дефекты ухудшают электрические характеристики и делают соседние устройства менее одинаковыми — плохая новость для любого процесса, который когда-нибудь должен пережить лабораторию и добраться до фабрики.
Авторы статьи в Nature назвали метод etching-flux-mediated single-centred nucleation, или EF-SCN. В структуру добавляют оксидный барьер: высвобождаемый из него кислород создаёт боковой травящий поток. Он не даёт новым кристаллам закрепляться по краям и в случайных точках паттерна, оставляя благоприятное место в центре. Идея выглядит почти обидно простой: не пытаться уговорить кристалл расти правильно, а сделать все остальные варианты роста неудобными.
Речь идёт о материалах толщиной в один атомный слой, а не о геометрической абстракции. Самый известный 2D-материал, графен, плохо подходит для обычных переключающих транзисторов из-за отсутствия собственной запрещённой зоны. У монослойного MoS₂ и ряда других дихалькогенидов переходных металлов она есть. Поэтому такие двумерные полупроводники интересны разработчикам наноэлектроники: при дальнейшем уменьшении транзисторов они потенциально дают более жёсткий контроль канала, чем традиционный кремний.
Практическая ценность работы — не в одном удачном транзисторе, а в воспроизводимости. Показатель 99,3% получен на небольшой двухсантиметровой подложке, а не на промышленной кремниевой пластине и не на готовом процессоре. Это ещё не доказательство готовности технологии к массовому производству. Однако единичный кристалл в заранее определённой зоне — именно тот уровень управляемости, без которого разговоры о масштабировании остаются презентацией с красивой микрофотографией.
Для индустрии особенно интересны два сценария. Первый — интеграция слоёв 2D-материалов поверх кремниевых схем, чтобы логика и память находились ближе друг к другу. Меньше расстояние для передачи данных — меньше задержки и расход энергии на движение битов, что становится всё заметнее в системах для ИИ. Второй — комплементарные полевые транзисторы CFET, где n- и p-транзисторы располагают вертикально, а не рядом на плоскости. IBM и Intel уже демонстрировали сам принцип вертикальной компоновки; материалы толщиной в атомный слой могут оказаться удобным элементом для следующего шага миниатюризации.
Сооснователь и сопредседатель TDS Innovation Кибум Кан говорит о создании качественных одиночных кристаллов в строго заданных местах и последующем сближении логики с памятью. Его коллега Джони Чонг уточнил, что компания нацелена на коммерческое применение около 2030 года; ускорить внедрение могут спрос на ИИ, робототехнику и так называемый физический ИИ, но сначала потребуются дополнительные проверки технологии.
Для российских команд, работающих с аппаратным ИИ, системами хранения и проектированием электроники, новость полезна как маркер направления, а не как повод переписывать дорожные карты. Главный дефицит ближайших лет — не только количество транзисторов, но и энергия с временем, которые уходят на обмен между вычислениями и памятью. Если двумерные полупроводники научатся стабильно выращивать на больших пластинах и вписывать в существующие техпроцессы, они могут стать частью ответа на эту проблему. Проверить детали эксперимента и заявленные планы можно в материале .