Перспективные материалы и технологии  --  Микроэлектроника

В "десятые" годы мировая микроэлектроника, по-сути, основана на массовом применении кремния (Si).  В том числе и потому, что в ее развитие и использование человечеством вложены триллионы долларов. 

Вместе с тем, как любой другой материал, кремний имеет свои минусы и плюсы, свои ограничения. И при всех своих плюсах, очевидно, не является волшебной вещью one size fits all. 

Именно поэтому ученые многих стран ведут непрерывный поиск все новых материалов, обладающих свойствами полупроводников. Новостям в этой области посвящена данная страница. 

Некоторые материалы уже успешно используются в микроэлектронике, как нитрид галлия и арсенид галлия, другие еще не дошли до стадии практического применения. 

Основные перспективные направления в материалах для микроэлектроники и производства полупроводников

GaN (нитрид галлия)

Ga2O3 (оксид галлия)

SiC (карбид кремния)

Органическая микроэлектроника 

Перовскиты  

Новости

2021.11.16  GaN on SiC пока что куда более дорогая технология, чем LDMOS. Это привлекает интерес к компромиссной комбинации GaN on Si, которая может быть реализована с использованием распространенного технологического оборудования и при этом также обеспечивает весьма привлекательные параметры. В частности, она вполне подходит для выпуска приборов для устройств 5G. Подробнее. 

2020.02.20 В журнале Профиль опубликована большая статья, которая популярно рассказывает о светлых перспективах и нелегких буднях молодой графеновой технологии. Если кратко, материалы на основе графена в перспективе значительно изменят наш мир. Но пока что никто не знает, когда это произойдет, т.к. хрупкость двумерных графеновых пленок затрудняет работу с ними. Если говорить о микроэлектронике, то в ней графену прочат светлое будущее. Сделанные из графена транзисторы могут быть на порядок меньше современных. Графен применим в производстве дисплеев, где он может заменить стремительно заканчивающийся индий.
В России налажено крупнейшее в мире производство графеновых трубок, в Новосибирске, компанией OCSiAl, до 75 тонн трубок в год (пока большая часть продукции идет на склад). В МИЦ "Композиты России" пытаются найти альтернативные способы переноса графена на различные подложки. Подробнее: profile.ru 

2020.02.20 В Институте физики полупроводников им. А.В.Ржанова СО РАН и Института неорганической химии имени А.В. Николаева СО РАН (Виктор Принц, Сергей Митулин) создали нанопереключатели - приборы на основе монокристаллов двуокиси ванадия (VO2), которые при минимальном энергопотреблении способны резко и обратимо менять свое сопротивление. Эти переключатели отличает высокая долговечность (более 100 млрд переключений), высокое быстродействие и микроминиатюрность - уже сейчас можно формировать миллион устройств на кв.см, но потенциально эту плотность можно повысить еще в 1000 раз. Это заявка на возможность применения такого материала в посткремниевой микроэлектронике.
В основе "переключателя" - нанокристалл VO2 с двумя контактами. Один из которых - внедренная в кристалл кремниевая наноигла с диаметром закругления 10нм. Благодаря ее остроте у вершины концентрируется электрическое поле и ток, что и обеспечивает эффект, когда достаточно совсем малого напряжения для того, чтобы переключить систему из полупроводникового состояния в металлическое.
При этом, прибор демонстрирует высокую преемственность в отношении существующих технологий. В частности, из кремния изготавливается не только наноигла, но также подложка и второй контакт. Только нанокристалл выполнен из VO2. Таким образом для производства можно будет задействовать часть современных технологий. / infopro54.ru 

2020.02.13 Портфельная компания Роснано - OCSiAl запустила крупнейшее в мире производство графеновых нанотрубок. Более половины объема производства под брендом Tuball у компании из Новосибирска закупают азиатские производители микроэлектроники. Новая установка называется Graphetron 50 и выпускает 50 тонн материала в год. Сейчас две трети произведенных нанотрубок отвозят на склад. Треть отправляют заказчикам. Общая стоимость новой установки составила 1,3 млрд руб, строили ее 4 года. Подробнее: comnews.ru 

2020.01.30 Любопытное решение для охлаждения электроники придумали в Шанхайском Университете. Разработчики предлагают использовать для охлаждения так называемые MOF-структуры - металлоорганические каркасные структуры, композиты, состоящие из наночастиц полимеров и металлов. Такая структура со множеством микропор и гигантской поверхностью похожа на губку, Если покрыть этим материалом нагревающиеся поверхности, например, радиатор процессора, то при выключенном или слабо загруженном процессоре материал будет конденсировать влагу из воздуха. Когда процессор войдет в режим интенсивного использования, вода начнет испаряться, что будет сдерживать рост температуры, пока не кончится запас накопленной влаги. Начиная с этого момента, покрытие будет выступать как "одеяло", ухудшающее отвод тепла от процессора.
В общем, пока что это идея, которая возможно никогда не дойдет до практического использования. Но идея любопытная. Подробнее: nplus1.ru 

2019.12.21 Цепи питания элементов кристалла. Специалисты ARM взялись за решение известной проблемы - по-мере снижения размеров элементов на кристалле, растет плотность их размещения, шины питания приходится делать все более узкими, что ведет к росту их сопротивления и падению напряжения, доставляемого к элементам схемы.
Экперименты с опытным процессором 3нм, созданным совместно с бельгийцами из Imec, позволили показать, что есть способ решения этой проблемы. В кремниевой подложке под транзисторами изготавливается сеть "рельсов", толстых шин питания с рабочей стороны кристалла. Затем тыльную сторону пластины утоняют до 500 нм и полируют. Далее на тыльной стороне делается сеть каналов разводки питания, соединяя ее с сетью "рельсов" вертикальными металлизированными отверстиями диаметром 1 мкм. И теперь, когда сформирована сеть раздачи питания, пластину продолжают обрабатывать с рабочей стороны привычными техпроцессами: травлением, внесением примесей, осаждением в вакууме, отжигом и т.д.
Эксперименты показали, что питание с нижней стороны пластины обеспечивает в 7 раз меньшее падение напряжения, чем при традиционном подходе. Этот запас можно конвертировать в повышение производительности отдельных транзисторов и процессора в целом. Подробнее: 3dnews.ru 

2019.11.23 Ученые работают над повышением стабильности двумерного черного фосфора. Двумерный черный фосфор получают из белого фосфора в условиях высокого давления и температуры. Получается напоминающий графит материал фосфорен со слоистой структурой, обладающий полупроводниковыми свойствами. Ширина запрещенной зоны варьируется в зависимости от числа слоев.
К сожалению, материал нестабилен и быстро деградирует под воздействием кислорода, содержащегося в воздухе. Для повышения его стабильности, ученые производят фторирование. В СФУ разобрались с механизмом этого процесса, показав, что в системе PF характерная координация равна 3 или 5 (3 или 5 атомов фтора на 1 атом фосфора). Выявлен "механизм" по которому атомы фтора должны крепиться к поверхности фосфорена с тем, чтобы получить более стабильные соединения, устойчивые к окислению. Как ожидается, в перспективе это позволит использовать фторированный фосфорен в различных оптоэлектронных устройствах - транзисторах, светодиодах, фотосенсорах, гибкой электронике, фотовольтаике и т.п.  

2019.11.02 В Институте физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения РАН (ИФМ УрО РАН) (г.Екатеринбург) изучают электронные свойства полупроводников со структурой халькопирита типа CuInSe2, CuGaSe2 и CuInТe2. 

2019.11.02 В МГУ открыли новые интерметаллиды, обладающие полупроводниковыми свойствами. Речь идет о интерметаллидах на базе рения (Re), галлия (Ga) и германия (Ge).

2019.10.31 Исследователи НИТУ "МИСиС" совместно с коллегами из Университета штата Небраска, США, предлагают использование соединений титана и циркония с серой (TiS3 и ZrS3) вместо привычного кремния, что позволит уменьшить толщину полупроводниковых компонентов примерно в 10 раз. До сих пор не получался синтез однородных материалов на основе таких соединений в силу формирования неоднородностей при кристаллизации. Ученые установили, что если обеспечить затвердевание раствора при более низкой температуре, ниже 800C, то удается формировать пленки толщиной в 1 нм. Теперь планируется продолжать эксперименты с тем, чтобы выявить наиболее стабильные комбинации материалов, обладающие лучшей проводимостью - в перспективе это обещает возможность дальнейшего уменьшения размеров элементов микросхем с соответствующим снижением тепловыделения. naked-science.ru ; stimul.online  

2019.09.13 Монокристалл успешно испытал новую низкотемпературную пасту для металлизации серебром серии MX для гетероструктурных солнечных элементов HJT. Тесты проводились совместно с Havel. Улучшенный состав связующего и серебряный порошек собственного производства позволили добиться возможности скоростной печати, отсутствие разрывов на трафарете с открытиями менее 30 мкм. Улучшенное спекание частиц серебра дало снижение удельного сопротивления на четверть. Это обещает возможность повышения эффективности солнечных элементов на 0.05% относительно среднего базового уровня. Хранить и перевозить пасту можно при стандартных температурах. Источник: monocrystal.ru .pdf 

2019.09.12 Органические полупроводники. Команда японских ученых, Мицуру Мацузака, доктора Кёсукэ Исода и Томоаки Сугая из Университета Кагавы и Технологического института Тибы, синтезировали вещество C6OAHCQ из N-гетерогептаценхинона. Это вещество может работать как полупроводник n-типа, причем от ранее синтезированных аналогов отличается куда большей стабильностью , чем его предшественник N-гетерогептаценхинон. C6OAHCQ стабилен, имеет электростатический потенциал, устойчив к УФ-излучению видимого спектра, обладает электрохромными способами. В перспективе этот материал может оказаться полезным для развития органических полупроводников. pronedra.ru и  ko.com.ua - подробности

2019.08.18 Ученые команды Тибора Грассера, Институт микроэлектроники в Венском технологическом институте (TU) попробовали сформировать 2D-слой ультратонкого изолятора (такие материалы не имеют ковалентных 3D-связей, что гарантирует, что изоляционный слой не повлияет на электрические свойства полупроводника). 2D-слой фторида кальция сформировали в Институте Иоффе в С.Петербурге (идея Юрия Илларионова), затем на его основе сделали транзистор в Институте фотоники, TU, и провели его анализ в Институте микроэлектроники, TU.
У ученых получился великолепный экземпляр транзистора размером в несколько нанометров с высоким быстродействием. Теперь начинается поиск отимального сочетания изолятора и полупроводника, этот процесс может занять несколько лет. Подробнее: ko.com.ua 

2019.07.23 В Университете Иллинойса исследователи преодолели еще одно препятствие в производстве силовых полупроводниковых приборов, добавив в свой арсенал такой "горячий" материала, как оксид бета-галлия (β-Ga2O3). По заверениям ученых, оксид бета-галлия это доступный материал, который быстрее и эффективнее справляется с преобразованием энергии, нежели чем такие альтернативы, чем повсеместно используемый кремний и перспективный нитрид галлия. Статья об исследовании вышла в ACS Nano.
Планарные транзисторы вот уже несколько лет как стали настолько малы, что дальнейшее уменьшение их размеров связано с фундаментальными проблемами. Исследователи решили эту проблему. перейдя к 3D-технологиям. В частности используется технология химического травления С использованием металла MacEtch-U. Благодаря химическому травлению можно получать ребристые 3D-структуры. Так можно сформировать больше транзисторов и управлять большими токами. Подробнее  abloud.blogspot.com 

2019.07.10 В Университете Нового Южного Уэльса (Австралия) экспериментируют с дителлуридом вольфрама в кристаллической форме. Этот материал при комнатной температуре обладает, как свойствами металла, так и свойствами сегнетоэлектрика, что сулит перспективы его использования в силовой микроэлектронике. Подробнее:  hi-news.ru 

2019.07.02 Японцы использовали для создания 2D-гетероструктур метод осаждения из паровой фазы. Проблемой было создание плоского интерфейса между различными доменами. Японцы создавали полосы разных TMDC на краях существующих доменов. За счет оптимизации скорости роста, они научились выращивать гетероструктуры с четко выраженными областями и атомарно прямыми краями.
Возможность формирования плоских прямолинейных интерфейсов позволяет контролировать перемещение электронов и резистивность, а также оптические свойства материалов. Это позволяет надеяться на то, что такие материалы можно будет задействовать в вычислительных системах, где вместо электронов используются фотоны (что обещает ускорение работы процессоров в разы), а также создавать запоминающие устройства с низким энергопотреблением, более энергоэффективные светодиоды, лазеры и ячейки для фотовольтаики. Подробнее: abloud.blogspot.com . 

2019.06.30 В Сколтехе, Института проблем химической физики Российской академии наук (РАН), Института органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН установили взаимосвязи между строением фотохромных молекул и электрическими характеристиками устройств памяти на их основе.
Для создания элементов памяти используют фотохромные молекулы, которые под воздействием света могут менять свое состояние. Исследователи под руководством профессора Павла Трошина, Сколтех, ранее разработали структуру органических транзисторов со светочувствительным фотохромным слоем. В новой работе ученые установили взаимосвязи между строением фотохромных молекул и электрическими характеристиками. Теперь открывается возможность для разработки материалов для органических элементов памяти и фотодетекторов. Источник: tass.ru 

2019.05.29 Ученые нескольких академических институтов (ИФП СО РАН; ИНХ СО РАН и ИЯФ СО РАН) нашли оптимальные условия синтеза такого магнитного полупроводника, как кремний-германий-марганец (SiGe/Mn). Чем интересен этот материал? Его электрическая проводимость меняется под воздействием магнитного поля. Это позволяет использовать такие материалы для построения квантовых компьютеров и, в частности, спиновых транзисторов, в которых информацию переносит не ток, а магнитный момент электрона. Подробнее abloud.blogspot.com 

2019.05.14 В США в лаборатории Эймса (Министерство энергетики США) обнаружены особые свойства слоистого ферромагнитного полупроводника (ФМПП), которые можно задействовать в так называемой спинтронике. ФМПП-материалы могут найти применение в квантовой электронике, например, для создания спиновых транзисторов. В американской лаборатории необходимые свойства обнаружились у такой пары, как "ванадий-йод" VI3, в микроэлектронике уже есть опыт работы с этим материалом.
Что же это за свойства? Это, в частности, возможность управления токами, изменяя намагниченность, а также возможность изменения таким образом площади активности участков слоистого полупроводника. К сожалению, структурные изменения происходят при температуре 78 К (-195 C), тогда как для практического использования желательно, чтобы свойства проявлялись при комнатной температуре.
Список участников мирового рынка спинтроники и другие подробности по теме можно найти здесь: abloud.blogspot.com 

2019.02.23 В НИТУ МИСиС разработали новый тип датчиков вибрации для устройств диагностики состояния зданий и мостов. Вместо традиционной ЦТС-керамики (цирконата-титаната свинца) в датчике задействовали пьезокристалл ниобата лития LiNbO3. Это монокристаллический материал, свойства которого стабильны в широком диапазоне температур, в отличие от термозависимого ЦТС. Минусы ниобата лития - слабый пьезоэлектрический эффект, на порядок хуже, чем у ЦТС. В НИТУ смогли существенно повысить чувствительность материала к внешним вибрациям за счет формирования в нем “бидоменной структуры”, такой подход дает сложение сигналов от сегнетоэлектрических доменов, то есть повышению чувствительности датчика на базе LiNbO3 вплоть до 10E-7 g, причем в широком диапазоне температур. Источник: ria.ru 

2019.02.10 Электронно-дырочная жидкость обещает прорыв при работе с терагерцовыми частотами. В Калифорнийском университете Риверсайда обстреляли короткими лазерными импульсами тонкий сэндвич: графен - дителлурид молибдена - графен. В итоге была зафиксирована конденсация так называемой “электронной жидкости”, состоящей из электронов и дырок. Имеющая свойства капли среда, может применяться в оптоэлектронных устройствах, работающих с высокой производительностью с волнами терагерцового диапазона. Это очень интересный диапазон, позволяющий за счет ограниченных возможностей проникновения в различные материалы, выявлять, например, рак кожи или повреждения зубов, скрытые дефекты в таблетках или оружие, спрятанное под одеждой. Важно отметить, что ранее “электронные жидкости“ удавалось создавать и наблюдать при сверхнизких температурах, но в Калифорнийском университете это явление удалось получить при комнатной температуре, что существенно упрощает работу с материалом. Подробнее: nanonewsnet.ru 

2019.01.08 Исследователи оксида галлия прочат материалу высокую востребованность в современной микроэлектронике. В Журнале прикладной физики (AIP Publishing) исследователи из Университета Флориды, Военно-морской исследовательской лаборатории США и Корейского университета подробно рассказывают о свойствах, возможностях, текущих ограничениях и будущих разработках для одного из наиболее перспективных UWB-соединений, оксида галлия ( Ga2O3).  control.viz.world 

2018.12.20 В Университете Лобачевского (ННГУ), Нижний Новгород, получили гексагональную модификацию кремния, материал со свойствами, которые могут привести к созданию оптоэлектроники и фотоники нового поколения. У нового материала лучшие излучательные свойства по-сравнению с обычным “кубическим” кремнием, который традиционно применяется в микроэлектронике. Научная статья на английском / aip.scitation.org  
Для получения нового материала ионы инертных газов внедрялись в диэлектрическую пленку на кремнии, что создавало механические напряжения, релаксация которых при высокотемпературном отжиге вызвало фазовый переход в подложке на границе со слоем диэлектрика. Приповерхностный слой новой фазы может использоваться для создания оптически активных элементов интегральных схем. Подробнее: nanonewsnet.ru 

2018.10.01 Прогресс в области полупроводников на основе висмута. 
Сейчас в мире идет активный поиск материалов, которые можно было бы использовать в фотовольтаике. Этот поиск осложняется тем, что мало найти материал сам по себе, требуется еще разработать оптимальный процесс формирования пленок этого материала, а этот процесс порой занимает годы. Исследователи в Университете Осаки разработали двухшаговый процесс производства оптоэлектронных материалов с хорошими морфологическими свойствами, а также с великолепными фоторезистивными характеристиками. Эти исследования опубликованы в Journal of Physical Chemistry Letters. 
Bi2S3 относится к классу материалов, известных как халькогениды металлов, которые многообещающе выглядят с точки зрения перспектив использования их оптических и электронных свойств. В то же время качество функционирования фоточувствительных устройств на базе Bi2S3 во многом определяется методом, используемым в производстве пленки, в частности, многие из выявленных интересных качеств демпфируются низкой кристалличностью пленки. И даже если удается повысить степень ее кристалличности, зернистость может оказывать негативный эффект на качество работы кристалла, поэтому предпочтительны пленки с малой шероховатостью поверхности, но большим размером зерен.
По итогам краткого исследования более 200 различных материалов, было выявлено, что Bi2S3, это менее дорогой и менее токсичный материал, нежели те неорганические материалы (типа галогенидных первовскитов), которые сейчас применяются в фотовольтаики, при этом его можно обрабатывать так, чтобы не испортить его великолепные фотоэлектрические свойства.
Японские ученые разработали метод формирования двухслойной пленки в результате применения двухстадийного процесса - использование раствора (solution spin-coating), а затем кристаллизация. Кстати, этот процесс можно будет использовать для работы и с другими металл-сульфидными полупроводниковыми материалами.  compoundsemiconductor.net 

2018.08.23 В МИЭТ создали фотодетектор, основанный на прямой лазерной модификации графена. От традиционных его отличает полупроводниковая структура, способная реагировать даже на самые слабые источники света, вырабатывая при это на порядки больше электроэнергии. Кроме того, такой фотодетектор может работать при комнатной температуре при напряжении в 9 мВ. Новый материал получают за счет облучения графена серией коротких импульсов лазерного излучения. Как ожидается, новый материал можно будет задействовать при создании фотодетекторов, солнечных батарей, а также в фотонике.  ria.ru  

---- 

Подписывайтесь на Telegram-канал, посвященный микроэлектронике 

подписывайтесь: на Facebook-страницу, посвященную микроэлектронике

----