В KAUST изготовлен первый в мире полностью интегрированный и функциональный микрочип на основе экзотических двумерных материалов. Прорыв демонстрирует потенциал 2D-материалов для расширения функциональности и производительности технологий на основе микрочипов.
С момента первого изготовления атомарно-тонких слоев графита, называемого графеном, в 2004 году к таким материалам для передовых и новых применений возник большой интерес из-за их экзотических и многообещающих физических свойств. Но, несмотря на два десятилетия исследований, функциональные микроустройства на основе этих 2D-материалов оказались труднодостижимыми из-за проблем с изготовлением и обращением с такими хрупкими тонкими пленками.
Вдохновленные недавними достижениями лаборатории Lanza в области функциональных 2D-пленок, коллаборация под руководством KAUST создала и продемонстрировала прототип микрочипа на основе 2D.
По словам авторов, цель разработок 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. 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 пропустив межсоединения на нижнюю сторону, где 2D-материал можно было надежно перенести в виде небольших контактных площадок размером менее 0,25 микрометра.
В итоге начной группе удалось изготовить двумерный материал — гексагональный нитрид бора, или h-BN, на медной фольге — и перенести его на микрочип с помощью низкотемпературного влажного процесса, а затем сформировать электроды поверх с помощью обычного вакуумного испарения и фотолитографии. Таким образом получился массив 5×5 ячеек с одним транзистором и одним мемристором, соединенных в матрицу с перекладиной.
Экзотические свойства 2D h-BN, здесь всего 18 атомов или 6 нанометров в толщину, 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.
Сейчас авторы прорывной технологии ведут переговоры с ведущими полупроводниковыми компаниями о продолжении работы в этом направлении.