В Королевском университете науки и технологий им. Абдаллы KAUST изготовлен первый в мире полностью интегрированный и функциональный микрочип на основе экзотических двумерных материалов. Прорыв демонстрирует имеющийся потенциал 2D-материалов для расширения функциональности и производительности технологий на основе микрочипов.
«Наша цель состояла в том, чтобы повысить уровень технологической готовности электронных устройств и схем на основе 2D-материалов, используя обычные КМОП-микросхемы на основе кремния в качестве основы и стандартные методы изготовления полупроводников, — говорит исследователь Ланца. — Однако проблема заключается в том, что синтетические 2D-материалы могут содержать локальные дефекты, такие как атомарные 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 свести к минимуму влияние дефектов. Они сделали это, изготовив стандартные комплементарные металл-оксид-полупроводниковые (CMOS) транзисторы на одной стороне чипа и соединив с его нижней стороной, где 2D-материал можно было надежно нанести в виде небольших контактных площадок размером менее 0,25 микрометра.
Был изготовен двумерный материал — гексагональный нитрид бора, или h-BN, на медной фольге — и его перенесли на микрочип с помощью низкотемпературного влажного процесса, а затем поверх были сформированы электроды с помощью обычного вакуумного испарения и фотолитографии. Таким образом был получен массив 5×5 ячеек с одним транзистором и одним мемристором, соединенных в матрицу с перекладиной.
Экзотические свойства 2D материала h-BN, из всего 18 атомов в 6 нанометров толщиной, делают его идеальным «мемристором» — резистивным компонентом, сопротивление которого можно задавать приложенным напряжением. В этой схеме 5×5 каждая из микроплощадок мемристора подключена к одному выделенному транзистору. Это обеспечивает точное управление напряжением, необходимое для работы мемристора как функционального устройства с высокой производительностью и надежностью в течение тысяч циклов, в данном случае как элемента нейронной сети с низким энергопотреблением.
«Благодаря этому флагманскому прорыву мы сейчас ведем переговоры с ведущими полупроводниковыми компаниями о продолжении работы в этом направлении, — сообщает профессор Марио Ланца. — Мы также рассматриваем возможность установки нашей собственной промышленной системы обработки 2D-материалов в масштабе пластины в KAUST, чтобы расширить эту возможность».
