Исследователи из Китая и США совместно создали новый тип стабильного полупроводникового графена, производительность которого в 10 раз выше, чем у кремния, и в 20 раз выше, чем у других двумерных полупроводников. Это достижение знаменует собой «прыжок от кремниевых чипов к углеродным чипам», — рассказал Global Times Ма Лэй, руководитель исследования Тяньцзиньского международного центра наночастиц и наносистем (TICNN) при Тяньцзиньском университете.
Достижение, достигнутое совместно командой Ма и исследователями из Школы физики Технологического института Джорджии в США, было опубликовано на сайте журнала Nature 3 января 2024 года.
Поскольку чипы на основе кремния постепенно приближаются к физическому пределу в два нанометра, наблюдается всплеск мирового спроса на чипы на основе высококачественных полупроводниковых материалов. Двумерные материалы благодаря своим превосходным свойствам электронного транспорта и потенциалу высокой интеграции стали новым рубежом, в который стремятся инвестировать ученые и полупроводниковые компании по всему миру.
Графен, как первый обнаруженный двумерный материал, который может стабильно существовать при комнатной температуре, с момента его открытия в 2004 году был в центре внимания ученых по разработке нового типа чипа, который потребляет меньше энергии и работает быстрее, чем существующие полупроводники. Однако уникальные конусы Дирака графена приводят к его характеристике «нулевой запрещенной зоны», что стало самым большим препятствием для его применения в области полупроводников.
Точно контролируя процесс эпитаксиального роста графена, команда Ма ввела в графен запрещенную зону, создав новый тип стабильного полупроводникового графена, который демонстрирует подвижность электронов, намного превышающую подвижность кремниевых материалов. Его производительность в 10 раз выше, чем у кремния, и в 20 раз выше, чем у других двумерных полупроводников.
«В основном мы применяли специальную среду и условия роста для модуляции самого графена с помощью кристаллов SiC, добиваясь открытия запрещенной зоны в графене. Это превращает изначально бесщелевой графен в материал с запрещенной зоной», — сказал Ма. Он отметил, что созданная командой «настоящий монокристаллический графеновый полупроводник».
Разработка этого полупроводника не только открывает путь к созданию высокопроизводительных электронных устройств, превосходящих традиционные кремниевые технологии, но и придаёт новый импульс всей полупроводниковой промышленности. По мере приближения пределов, предсказанных законом Мура, появление полупроводникового графена предвещает фундаментальный сдвиг в области электроники. Его революционные свойства удовлетворяют растущий спрос на более высокие скорости вычислений и миниатюрные интегрированные электронные устройства, говорится в отчете на сайте Тяньцзиньского университета.
После запуска в крупномасштабное производство монокристаллический полупроводниковый графен заложит важную основу для перехода от эры кремния к эре углерода. Однако, отметил Ма, еще нужно время, чтобы проверить, смогут ли графеновые полупроводники привести к прорыву в индустрии чипов.
Когда его спросили, насколько далеко это достижение от индустриализации, Ма ответил, что в настоящее время он не может предсказать. «Когда его можно будет внедрить в крупномасштабное промышленное применение, зависит от процесса перехода от монокристаллов миллиметрового размера к монокристаллам дюймового масштаба».
В соответствующем отчете сайта yicai.com от 4 января Ма сказал: «По моим оценкам, пройдет еще 10–15 лет, прежде чем графеновые полупроводники действительно смогут быть полностью внедрены».
Ма сказал, что сейчас он и его команда усердно работают над выращиванием монокристаллов полупроводника графена большего размера.
Чтобы продолжать способствовать развитию полупроводников, страны и регионы по всему миру активно ищут новые материалы и парадигмы в дополнение к двумерным материалам. В ноябре 2023 года компания Huawei и Харбинский технологический институт совместно подали заявку на «метод гибридного соединения трехмерных интегрированных чипов на основе кремния и алмаза». В сентябре 2023 года японское новостное издание Nikkei сообщило, что японский стартап OOKUMA планирует коммерциализировать алмазные полупроводники и начнет производство уже в 2026 финансовом году.
С усилением конкуренции США ужесточают меры контроля за экспортом чипов в Китай, необоснованно подавляя китайские полупроводниковые компании и пытаясь «задушить» Китай в области полупроводниковых чипов.
В этом контексте особое внимание привлекли достижения китайской и американской команд. По словам Ма, усиление конкуренции между Китаем и США в сфере полупроводников действительно оказало влияние на сотрудничество между научными коллективами двух стран, например, на обмен информацией и обмен образцами. Однако в целом сотрудничество двух команд оказалось плодотворным.
«Здоровая конкуренция является важным фактором содействия развитию, в то время как злонамеренная конкуренция препятствует развитию технологий. Я надеюсь, что сотрудничество является основным направлением, а конкуренция является стимулятором. Если сотрудничество станет основным направлением, соответствующая конкуренция будет делать научное развитие все лучше и лучше», – заметила Ма.
