Полупроводник толщиной в атом

В Nature представили атомарно тонкий полупроводник BCN — соединение бора, углерода и азота. Особенно интересно, как исследователи проверили его перспективность: изготовили 224 транзистора из трёх партий материала и сопоставили их электрические характеристики с целевыми показателями полупроводниковой отрасли на 2031 год. Большинство устройств превысило эти ориентиры. Результат показывает и высокий потенциал материала, и воспроизводимость его свойств.

Почему это важно? Для энергоэффективных вычислительных схем нужны транзисторы двух типов: в одних ток переносят электроны, в других — дырки, то есть отсутствующие электроны, которые ведут себя как положительные заряды. Хороших атомарно тонких материалов для первого типа уже немало. Со вторым сложнее: кандидаты часто нестабильны, имеют низкую подвижность зарядов или плохо поддаются выращиванию на большой площади.

Международная команда с участием Токийского университета предложила решение. Исследователи взяли нитрид бора — изолятор с решёткой, напоминающей графен, — и заменили часть атомов азота углеродом. У углерода на один внешний электрон меньше, поэтому такая замена создаёт дырки и превращает материал в полупроводник p-типа.

Главная трудность в том, что при выращивании углерод склонен собираться в отдельные графеноподобные участки. Авторы подобрали исходные вещества так, чтобы углерод высвобождался постепенно, через последовательность химических реакций. Это позволяет ему встраиваться в растущую решётку. Получилась плёнка толщиной в один атомный слой на подложке диаметром два дюйма.

Подвижность дырок достигла примерно 100 см²/(В·с), а отношение токов во включённом и выключенном состояниях — 100 миллионов. Последнее показывает, насколько чётко транзистор может переключаться.

Перспектива — многослойные чипы, в которых атомарно тонкие транзисторы располагаются друг над другом, повышая плотность вычислительных элементов.

Авторы сравнили свои результаты с дорожными картами развития микроэлектроники до 2031 года и пришли к выводу, что электрические характеристики устройств вполне конкурентноспособны на этом горизонте. Длина их каналов — около микрометра: результат ещё нужно сохранить при уменьшении размеров. Один из этапов синтеза требует 1020 °C, что затрудняет изготовление верхних слоёв поверх уже готовой электроники. Предстоит также объединить BCN с материалами n-типа в работающие схемы.