За пределами кремния: селенид индия для искусственного интеллекта и квантовых вычислений со сверхнизким энергопотреблением

Исследование под названием «Селениды индия для электроники и оптоэлектроники следующего поколения» было опубликовано в журнале Nature Reviews Electrical Engineering. В этом исследовании подробно рассматриваются физические свойства и области применения двумерных квантовых полупроводников, которые считаются полноценной альтернативой кремнию, поскольку его физические возможности по масштабированию исчерпаны.

По мере того как современные полупроводники на основе кремния уменьшаются до субнанометрового масштаба, они сталкиваются с серьезными проблемами, такими как растущее энергопотребление, перегрев и ток утечки. Чтобы решить эти проблемы, команда профессора Сонга сосредоточилась на InSe — атомарно тонком материале.

InSe обладает исключительными свойствами, позволяющими электронам двигаться с высокой скоростью при минимальном сопротивлении. Чрезвычайно малая эффективная масса электронов обеспечивает высокую скорость работы при значительно меньшем энергопотреблении. Кроме того, в зависимости от расположения атомов InSe обладает сегнетоэлектрическими свойствами, то есть может запоминать свое электрическое состояние — идеальное сочетание для многофункциональных полупроводниковых устройств.

Селенид индия, который часто называют «золотым полупроводником», обладает идеальным сочетанием свойств: низкой эффективной массой, высокой тепловой скоростью и подходящей шириной запрещённой зоны. Несмотря на эти преимущества, его интеграция на уровне пластины до сих пор не была реализована из-за сложности точного поддержания атомного соотношения индия и селена 1:1 при синтезе. Традиционные методы позволяют получить лишь микроскопические чешуйки, которых недостаточно для практического применения в электронике.

По мере замедления действия закона Мура и приближения к физическим пределам возможностей кремния полупроводниковая промышленность сталкивается с растущей необходимостью поиска альтернативных материалов для каналов. В этом контексте успешное производство кристаллических пластин InSe большой площади является важнейшим шагом на пути к созданию более быстрых, энергоэффективных и компактных чипов для электроники следующего поколения.

Cистема In–Se сталкивается с трудностями из-за наличия множества стабильных фаз и большой разницы в давлении паров индия и селена, что затрудняет поддержание стехиометрии при выращивании. Эти проблемы влияют на чистоту фазы, качество кристаллов и общую стабильность устройства.

Команда исследователей разработала новую стратегию преобразования из твердого состояния в жидкое и обратно. Этот процесс начинается с нанесения тонкой аморфной пленки InSe на сапфировые подложки методом магнетронного распыления. Затем пластина покрывается индием с низкой температурой плавления и помещается в кварцевую полость.

При нагревании примерно до 550 °C индий создает локальную среду с высоким содержанием индия, которая способствует контролируемому растворению и перекристаллизации на границе раздела. В результате этой тщательно контролируемой реакции образуются однородные однофазные кристаллические пленки InSe. С помощью этого метода были получены 2-дюймовые пластины с высочайшей в мире степенью кристалличности, чистотой фазы и однородностью толщины двумерного InSe.

С помощью этих пластин команда изготовила крупномасштабные транзисторные матрицы, которые продемонстрировали выдающиеся характеристики, в том числе подвижность электронов до 287 см²/В·с и среднее подпороговые колебания 67 мВ/дек. Устройства показали отличные результаты при длине затвора менее 10 нм, что характеризуется уменьшением снижения барьерной ёмкости при истоковом токе (DIBL), более низким рабочим напряжением, улучшенными соотношениями токов включения и выключения и эффективным баллистическим переносом при комнатной температуре.