Miniaturyzacja półprzewodników

Silicen – nowy materiał półprzewodnikowy, łączący właściwości krzemu i grafenu, jest jednym z najbardziej obiecujących kandydatów do produkcji jeszcze cieńszych zespołów obwodów elektronicznych na potrzeby przyszłych, inteligentnych urządzeń.

„Elektronika jest obecnie osadzona w wielu warstwach atomów krzemu. Jeżeli bylibyśmy w stanie wbudowywać ją w tylko jedną warstwę, wówczas jej rozmiar można byłoby znacznie zmniejszyć i obniżyć straty mocy, uzyskując jednocześnie bardziej energooszczędne urządzenia o wyższej mocy” – wyjaśnia dr Athanasios Dimoulas, koordynator unijnego projektu 2D-NANOLATTICES.

Grafen to interesująca struktura pod tym względem, że występuje jako pojedyncza warstwa atomów, ale nie ma „pasma wzbronionego” – niezbędnego do pełnienia funkcji półprzewodnika. Silicen, dwuwymiarowa postać krzemu, wprowadza swoje właściwości półprzewodnikowe do świata materiałów 2D. Problem z silicenem polega jednak na tym, że ulega modyfikacji w kontakcie z innymi substancjami, takimi jak metale.

Elektronika 100-krotnie mniejsza

Upakowanie elektroniki na jednej warstwie silicenu przy zachowaniu właściwości elektronicznych było dla naukowców – przynajmniej do tej pory – trudnym zadaniem. Partnerzy projektu 2D-NANOLATTICES wypracowali innowację na skalę światową – zbudowali tranzystor polowy (FET), który działa w temperaturze pokojowej.

Tranzystory FET są kluczowym komponentem komutacyjnym zespołów obwodów elektronicznych. Osadzenie ich w tylko jednej warstwie atomów krzemu (w silicenie), a następnie przeniesienie warstwy, wyhodowanej na podłożu ze srebra, na plaster wykonany z bardziej neutralnej substancji, czyli dwutlenku krzemu, to znaczący sukces. „Testy pokazały, że wydajność silicenu na podłożu niemetalowym jest bardzo, bardzo dobra” – stwierdził z entuzjazmem dr Dimoulas z Krajowego Centrum Badań Naukowych „Demokritos” w Grecji.

„Jeszcze nigdy dotąd tranzystor nie został wykonany z zaledwie jednej warstwy materiału, takiego jak krzem, co rzeczywiście jest osiągnięciem zasługującym na miano przełomowego. Umożliwi nam ono produkowanie tranzystorów 100-krotnie mniejszych w pionie” – dodał dr Dimoulas.

Dostrzeganie potencjału

Teraz kiedy tranzystor został zredukowany w pionie do zaledwie jednej warstwy 2D atomów, jego wymiary mogą się skurczyć też w bok, co oznacza, że ta sama powierzchnia chipa będzie mogła pomieścić do 25 razy więcej elektroniki – jak obliczył dr Dimoulas.

Dodatkowo zastosowanie pojedynczego, wąskiego kanału do przewodzenia prądu elektrycznego zmniejsza straty mocy, a to problem, z którym przemysł półprzewodników boryka się już od jakiegoś czasu: w jaki sposób dążyć do miniaturyzacji, unikając przegrzania w postaci strat mocy.

To dobra wiadomość dla producentów chipów, bowiem wyścig producentów nowej fali technologii komunikacyjnych nabiera tempa wraz z nadejściem sieci mobilnych 5G.

Projekt 2D-NANOLATTICES, który otrzymał 1,63 mln EUR dofinansowania z 7PR (z budżetu na przyszłe i powstające technologie), był realizowany od 1 czerwca 2011 r. do 31 sierpnia 2014 r. przez sześciu partnerów z czterech krajów UE.