Функциональное 2D

Первый в мире полностью интегрированный и функциональный микрочип на основе экзотических двумерных материалов изготовлен в КАУСТ. Этот прорыв демонстрирует потенциал 2D-материалов для расширения функциональности и производительности технологий на основе микрочипов.

С момента первого изготовления атомно тонких слоев графита (так называемого графена) в 2004 году к таким материалам для передовых и новых применений проявлялся большой интерес из-за их экзотических и многообещающих физических свойств. Но, несмотря на два десятилетия исследований, функциональные микроустройства на основе этих 2D-материалов оказались невозможными из-за проблем с изготовлением и обращением с такими хрупкими тонкими пленками.

Вдохновленная недавними достижениями лаборатории Lanza в области функциональных 2D-пленок, коллаборация под руководством KAUST теперь создала и продемонстрировала прототип микрочипа на основе 2D.

«Нашей мотивацией было повысить уровень технологической готовности электронных устройств и схем на основе 2D-материалов за счет использования обычных кремниевых КМОП-микросхем в качестве основы и стандартных технологий изготовления полупроводников», — говорит Ланца. «Однако проблема заключается в том, что синтетические 2D-материалы могут содержать локальные дефекты, такие как атомные 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 минимизировать влияние дефектов. Они сделали это, изготовив стандартные комплементарные металлооксидно-полупроводниковые (КМОП) транзисторы на одной стороне чипа и проведя межсоединения на нижнюю сторону, где 2D-материал можно было надежно переносить на небольших площадках диаметром менее 0,25 микрометра.

«Мы произвели 2D-материал — гексагональный нитрид бора, или h-BN, на медной фольге — и перенесли его на микрочип с помощью низкотемпературного мокрого процесса, а затем сформировали электроды поверх него с помощью обычного вакуумного испарения и фотолитографии, которые — это процессы, которые у нас есть внутри компании», — говорит Ланца. «Таким образом, мы создали массив 5×5 ячеек с одним транзистором/одним мемристором, соединенных в перекрестную матрицу».

Экзотические свойства 2D h-BN толщиной всего 18 атомов или 6 нанометров делают его идеальным мемристором — резистивным компонентом, сопротивление которого можно регулировать приложенным напряжением. В схеме 5×5 каждая микромемристорная площадка подключена к одному выделенному транзистору. Это обеспечивает точный контроль напряжения, необходимый для работы мемристора как функционального устройства с высокой производительностью и надежностью в течение тысяч циклов, в данном случае как маломощного элемента нейронной сети.

«Благодаря этому флагманскому прорыву мы сейчас ведем переговоры с ведущими полупроводниковыми компаниями о продолжении работы в этом направлении», — говорит Ланца. «Мы также рассматриваем возможность установки нашей собственной промышленной системы обработки 2D-материалов в масштабе пластины в KAUST, чтобы расширить эти возможности».

- Этот пресс-релиз был первоначально опубликован на веб-сайте Университета науки и технологий имени короля Абдаллы.