Ученые выяснили, как сделать полупроводники для электроники в десять раз тоньше

Результаты исследования опубликованы в Journal of Alloys and Compounds. 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. 
Ученые НИТУ «МИСиС» совместно с коллегами из Университета штата Небраска выяснили, как уменьшить толщину полупроводниковых компонентов в 10 раз.

Для этого понадобилось отказаться от уже ставшего привычным кремния в пользу других материалов – соединений титана и циркония с серой (TiS3 и ZrS3). 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: почему 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 заключается 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 в 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 материалов с наибольшей степенью проводимости.

Автор — Мария Перемитина

НИТУ «МИСиС»

21 статей

Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» — российский технический университет; первый вуз в стране, получивший статус «Национального исследовательского технологического университета», лучший вуз России 2019 года по версии Forbes Россия. Сегодня в состав НИТУ «МИСиС» входят 9 институтов и 6 филиалов, 4 из которых работают в России и 2 за рубежом.

Показать больше