Полупроводники будут еще тоньше

Ученые НИТУ МИСиС совместно с коллегами из США выяснили, как сделать полупроводники для электроники в десять раз тоньше. Для этого в качестве исходного материала вместо кремния предлагается использовать титан, цирконий и серу, сообщает пресс-служба МИСиС. Уменьшение размера проводящих (транзисторных) элементов для электронных устройств позволит увеличить их производительность. Результаты исследования опубликованы в Journal of Alloys and Compounds.

«Устройства на основе трисульфидов титана и циркония вызывали у нас интерес в связи с возможностью управлять шириной запрещенной зоны этих материалов, притом что они могут быть получены в качестве сверхтонких лент или нитей, что существенным образом может влиять на свойства конечных устройств», — рассказал «Стимулу» один из авторов исследования, научный сотрудник кафедры функциональных наносистем НИТУ МИСиС Дмитрий Муратов.

Размер компонентов электроники критически важен для ее эффективности. Простейший пример: чем меньше элементы микросхем смартфона, тем выше производительность устройства и ниже тепловыделение.

Сегодня основным материалом, используемым для изготовления полупроводниковой электроники, является кремний. Однако сам по себе он обладает более низкой проводимостью по сравнению с другими полупроводниковыми материалами. Получение чистого кремния, который необходим для производства устройств, — непростой и дорогостоящий процесс.

Кроме того, дальнейшее уменьшение размеров элементов уже практически невозможно, но именно это требуется для повышения скорости обработки информации, поскольку меньшие размеры полупроводящих элементов предполагают возможность использования их в большем количестве одновременно.

Сотрудники МИСиС совместно с коллегами из Университета штата Небраска отказались от уже ставшего привычным кремния в пользу соединений титана и циркония с серой (TiS₃ и ZrS₃), что даст возможность уменьшить толщину полупроводниковых компонентов в десять раз. Использование в качестве исходных веществ сплавов титан-цирконий и чистой серы позволяет точно управлять свойствами получаемых полупроводниковых тонких лент, которые затем и используются в устройствах. Тем не менее перед учеными стояла проблема, с которой до этого неоднократно сталкивались другие научные группы: не удается получить весь спектр соединений от чистого ZrS₃ до TiS₃, чтобы управлять оптическими и электрическими свойствами этих материалов для эффективного использования их в полупроводниковых приборах.

Ученые выяснили, что проблема в температуре, при которой кристаллизуются материалы, — 800 °C. При помощи сканирующей электронной микроскопии удалось увидеть, что помимо небольших «игольчатых» кристаллов в структуре формируются крупные восьмиугольники — гексагоны, нарушающие однородность материалов.

Было решено постепенно понижать температуру кристаллизации и наблюдать, как поведет себя структура материалов. Оказалось, что, если затвердевание раствора проходит при более низкой температуре, кристаллы-гексагоны уже не формируются и весь материал представляет собой тонкие ленты. Благодаря слоистой структуре этих материалов удалось получить пленки толщиной всего примерно 1 нм.

Далее ученые планируют продолжить эксперименты с титаном и цирконием: используя разные соотношения металлов, объединять их в твердые растворы с серой и измерять проводимость образцов. В перспективе это позволит найти оптимальные и стабильные комбинации с наибольшей степенью проводимости.