Группа исследователей из Пекинского университета утверждает, что совершила прорыв в технологии производства микросхем, потенциально изменив расстановку сил в гонке полупроводников.
Разработанный ими 2D-транзистор на 40% быстрее, чем новейшие 3-нанометровые кремниевые чипы от Intel и TSMC, и при этом потребляет на 10% меньше энергии. По их словам, эта инновация может позволить Китаю полностью отказаться от производства кремниевых чипов.
«Это самый быстрый и эффективный транзистор из когда-либо существовавших», — говорится в официальном заявлении, опубликованном на прошлой неделе на сайте PKU.
Исследовательская группа под руководством профессора физической химии Пэн Хайлиня считает, что их подход представляет собой фундаментальный сдвиг в полупроводниковой технологии.
Прорыв китайской команды связан с транзистором на основе висмута, который превосходит самые современные коммерческие чипы от Intel, TSMC, Samsung и Бельгийского межвузовского центра микроэлектроники. В отличие от традиционных транзисторов на основе кремния, которые испытывают трудности с миниатюризацией и энергоэффективностью при очень малых размерах, эта новая разработка предлагает решение без таких ограничений. По словам Пэна, в то время как санкции, введённые США, ограничили доступ Китая к самым современным транзисторам на основе кремния, эти ограничения также побудили китайских исследователей искать альтернативные решения.«Хотя этот путь возник из-за необходимости, вызванной нынешними санкциями, он также заставляет исследователей искать решения с новых точек зрения», — добавил он.
В исследовании описывается, как команда разработчиков создала полевой транзистор с полным затвором (GAAFET) с использованием материалов на основе висмута. Эта конструкция значительно отличается от структуры полевого транзистора с плавным затвором (FinFET), которая была отраслевым стандартом с тех пор, как Intel выпустила её на рынок в 2011 году.
Ограничения чипов на основе кремния становятся всё более очевидными по мере того, как отрасль пытается увеличить плотность интеграции выше 3 нанометров. Новая структура GAAFET устраняет необходимость в «ребре», используемом в конструкции FinFET, увеличивая площадь контакта между затвором и каналом.
Исследователи сравнили это изменение с заменой высоких зданий на соединённые между собой мосты, благодаря чему электронам стало легче перемещаться, как сообщает South China Morning Post.
Для дальнейшей оптимизации производительности исследователи обратились к двумерным полупроводниковым материалам. Эти материалы имеют одинаковую атомную толщину и более высокую подвижность по сравнению с кремнием, что делает их жизнеспособной альтернативой для чипов нового поколения. Однако предыдущие попытки использовать двумерные материалы в транзисторах сталкивались со структурными проблемами, которые ограничивали их эффективность.
Команда PKU преодолела эти препятствия, разработав собственные материалы на основе висмута, в частности Bi2O2Se и Bi2SeO5, которые служат в качестве полупроводника и высокодиэлектрического оксидного материала соответственно. Высокая диэлектрическая проницаемость этих материалов снижает потери энергии, минимизирует требования к напряжению и повышает вычислительную мощность, сокращая при этом энергопотребление. Исследователи изготовили свои экспериментальные транзисторы с помощью высокоточной технологической платформы PKU. Результаты были подтверждены с помощью расчётов по теории функционала плотности (DFT), которые показали, что на границе раздела материалов Bi2O2Se/Bi2SeO5 меньше дефектов и более плавный электронный поток, чем на существующих границах раздела полупроводник-оксид.
«Это уменьшает рассеивание электронов и потери тока, позволяя электронам проходить практически без сопротивления, подобно воде, текущей по гладкой трубе», — объяснил Пэн.
Транзисторы, созданные на основе этой технологии, способны работать в 1,4 раза быстрее, чем самые современные микросхемы на основе кремния, потребляя при этом на 90% меньше энергии. Сейчас команда PKU работает над масштабированием производства. Они уже создали небольшие логические устройства с использованием новых транзисторов, демонстрирующие высокий коэффициент усиления при сверхнизком рабочем напряжении.