Можем, когда надо: отечественная посткремниевая электроника
Источник: ortsci.ru
Закат эпохи кремния
Транзисторы на кристалле будут удваиваться каждые полтора-два года. Это закон Мура, который пока еще и очень условно работает. Но у кремния, как у любого материала, есть физический предел миниатюризации, и современная электроника уже вплотную к нему подошла. Когда длина затвора транзистора опускается ниже пяти нанометров, начинают доминировать квантовые эффекты: электроны туннелируют сквозь запирающий барьер даже в выключенном состоянии транзистора, из-за чего он теряет способность чётко переключаться между состояниями «включено» и «выключено».
Это явление, известное как короткоканальный эффект, приводит к резкому росту токов утечки — паразитных токов, которые протекают через транзистор, даже когда он должен быть закрыт. Следствие — повышенное энергопотребление, избыточный нагрев кристалла и снижение надёжности всей микросхемы. Именно поэтому последние несколько лет технологические узлы, обозначаемые как «3 нм» или «2 нм», давно перестали отражать реальные физические размеры элементов — это скорее маркетинговые названия поколений техпроцесса, чем буквальные величины. Индустрия, по сути, упёрлась в стену, и именно поэтому в последние годы резко усилился интерес к альтернативным полупроводниковым материалам, способным работать на атомарных масштабах без катастрофической потери управляемости.
Среди кандидатов на замену кремния особое место занимают двумерные (2D) полупроводники — материалы, состоящие из одного или нескольких атомарных слоёв. Самый известный представитель этого семейства — графен, открытый в 2004 году Андреем Геймом и Константином Новосёловым (Нобелевская премия по физике 2010 года), обладает фантастической подвижностью электронов, но у него нет собственной запрещённой зоны, а значит, транзистор на его основе невозможно надёжно «выключить» — ток течёт всегда.
Эта проблема заставила исследователей обратить внимание на особый класс материалов, к которым относится дисульфид молибдена (MoS₂), дисульфид вольфрама (WS₂), диселенид молибдена (MoSe₂) и диселенид вольфрама (WSe₂). В отличие от графена, у этих материалов есть собственная запрещённая зона, что делает их идеальными полупроводниковыми каналами для транзисторов.
Прорывной момент в истории материала настал в 2011 году, когда группа Андраша Киша в Швейцарской высшей технической школе Лозанны впервые продемонстрировала работающий транзистор на монослое MoS₂ с отличными характеристиками — высоким соотношением токов включения/выключения и низким энергопотреблением. С тех пор дисульфид молибдена стал одним из самых исследуемых материалов постсиликоновой электроники: тысячи научных публикаций, десятки лабораторий по всему миру, от Массачусетского технологического института и Стэнфорда до Калифорнийского университета в Беркли.
Параллельно в гонку включился Китай: летом 2026 года исследователи из Нанкина сообщили о создании первых промышленных шестидюймовых пластин MoS₂. На этом фоне сообщение о технологии, разработанной учёными Московского физико-технического института, выглядит закономерным продолжением глобальной научной гонки, в которой Россия долгое время оставалась скорее наблюдателем, чем участником, — и это первая отечественная разработка полного технологического цикла изготовления транзисторов на дисульфиде молибдена.
Суть российской разработки
Главная техническая проблема, которую удалось решить нашим ученым, на первый взгляд звучит довольно просто. Однако на деле именно она долгие годы тормозила использование сверхтонких двумерных полупроводников на реальных заводах. Суть проблемы в следующем: как прикрепить металлический контакт (электрод) к материалу, толщина которого составляет всего один атом, и при этом не разрушить его невероятно хрупкую структуру?
В обычной микроэлектронике контакты делают так: металл (чаще всего золото, титан или хром) буквально распыляют в вакууме прямо на поверхность полупроводника. Если мы работаем с обычным толстым куском кремния, это абсолютно безопасно. Но если мы берем слой дисульфида молибдена толщиной в один атом, где каждый атом находится на поверхности и ничем не прикрыт, такое напыление превращается в катастрофу. Быстрые и тяжелые атомы металла на огромной скорости бьют по поверхности кристалла и выбивают из нее атомы серы — это самые слабые звенья в этом материале. Из-за этого в идеальной решетке появляются «дырки» (пустоты). Эти дефекты нарушают порядок кристалла, создают электронные помехи и сильно портят электрический контакт между металлом и самим полупроводником. В итоге транзистор получает слишком высокое сопротивление, работает нестабильно и для реальных электронных приборов уже не годится. Роман Романов, старший научный сотрудник Лаборатории атомно-слоевого осаждения МФТИ, очень точно описал эту ситуацию:
Сверхтонкие материалы давно сулят нам прорыв в производстве электроники, но между опытами в лаборатории и реальным заводом стоит стена из технологических трудностей. И главная из них — как подключить провод к материалу толщиной в один атом и не сломать его.
Решение этой задачи нашли специалисты из МФТИ, а результаты их работы опубликовал международный научный журнал Vacuum. Идея оказалась следующей: между металлическим электродом и самим полупроводником нужно поместить очень тонкую изолирующую прокладку из диоксида титана. Толщина этой прокладки — всего несколько атомов. Наносят ее с помощью технологии атомно-слоевого осаждения. Звучит сложно, но на самом деле этот метод распыления слой за слоем уже давно и успешно применяется на современных заводах. Это значит, что фабрикам не придется полностью переделывать свои производственные линии под новую технологию.
У этого промежуточного слоя есть две функции, которые на первый взгляд кажутся несовместимыми. С одной стороны, он работает как надежный щит: физически укрывает полупроводник и не дает тяжелым атомам металла пробить его структуру при нанесении контакта. С другой стороны, эта прокладка настолько тонкая, что электроны все равно могут свободно проходить сквозь нее. Это происходит благодаря квантовому туннелированию — особому явлению микромира, когда частица может пройти сквозь преграду (как сквозь стену), даже если по законам классической физики у нее не должно было хватить на это энергии. Илья Завидовский, старший научный сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, объяснил это так:
Эта тонкая прослойка работает как умный барьер. Она защищает материал от разрушения атомами металла, но при этом электроны легко проскакивают через нее благодаря законам квантовой физики.
Но на практике возникла еще одна сложность: нельзя просто взять и нанести диоксид титана на идеально гладкую поверхность полупроводника. Атомам защитного слоя просто не за что «уцепиться» на этой химически пассивной поверхности, поэтому пленка ложится неровно, кусками, оставляя голые, незащищенные места.
Чтобы обойти эту преграду, ученые из МФТИ придумали красивый и изящный ход. Перед нанесением защиты они слегка облучают поверхность полупроводника ионами гелия. Энергия этих ионов подобрана идеально: они не наносят материалу серьезного урона, а лишь аккуратно выбивают из него отдельные, редкие атомы серы. На месте выбитых атомов появляются крошечные микроямки или «крючки». Именно за эти точки и цепляются молекулы диоксида титана, когда защитная пленка только начинает расти, что позволяет ей сформироваться плотно и без единого пропуска.
Такой аккуратный подход позволил ученым вырастить абсолютно сплошной защитный слой без дырок толщиной всего около одного нанометра. Причем это получилось сделать на материалах, выращенных промышленными методами, что критически важно для будущего массового производства. Кроме того, в ходе экспериментов ученые впервые доказали и точно измерили один важный факт: если на защитном слое останется хотя бы одна микроскопическая брешь, через которую металл коснется полупроводника, это мгновенно и резко испортит электрические свойства всего контакта. То есть защитное покрытие должно быть идеальным, без права на ошибку.
Как говорит Роман Романов, это открытие «меняет требования к технологии» и задает совершенно новый, строжайший стандарт качества для производства сверхтонкой электроники. И что еще важнее: этот метод работает не только с дисульфидом молибдена. Дополнительные опыты показали, что эта технология универсальна. Ее можно применять и для целой группы похожих сверхтонких полупроводников (например, дисульфида вольфрама или диселенидов), которые точно так же страдают от хрупкости при подключении к ним электродов.
Национальный технологический суверенитет
Давайте представим идеальный сценарий: технология, созданная в МФТИ, успешно дошла до массового производства. И, что особенно важно, заводы построены именно у нас в России, а не за границей. Что это даст обычным людям в их повседневной жизни? В первую очередь, мы говорим о совершенно другом уровне экономии энергии. Ученые подсчитали, что новые сверхтонкие транзисторы смогут потреблять в сотни раз меньше электричества, чем привычные кремниевые детали такого же размера.
Если вспомнить, что в любом современном процессоре работают десятки миллиардов таких микропереключателей, экономия получается колоссальной. Сегодня огромные серверные центры по всему миру, обеспечивающие работу интернета, «съедают» около 1–2% всей производимой на планете электроэнергии. И эта цифра только растет из-за бума нейросетей и искусственного интеллекта. Поэтому даже небольшое снижение аппетита у транзисторов — не говоря уже о снижении в сотни раз — приведет к огромной выгоде.
Для простых пользователей это означает, что смартфоны и ноутбуки будут работать от одной зарядки в несколько раз дольше. А для крупных компаний это шанс резко снизить расходы на охлаждение гигантских серверов и уменьшить вредные выбросы. Второе большое преимущество — это возможность создавать гибкую и полностью прозрачную электронику. Обычный кремний — материал хрупкий: если его согнуть, он просто треснет. А новые материалы, толщина которых составляет всего один атом, можно гнуть как угодно. Это открывает путь к гаджетам будущего: смартфонам, которые можно будет свернуть в трубочку, умной одежде с датчиками прямо в ткани, невидимым медицинским пластырям для контроля здоровья. Мы сможем делать прозрачные экраны для умных очков или лобовых стекол автомобилей. Кроме того, такие легкие и экономные детали идеально подойдут для спутников и так называемого «Интернета вещей» — умных датчиков в домах и на улицах, где важна каждая капля энергии, чтобы батарейка работала годами без замены.
И эта технология уже выходит из стадии робких экспериментов. Например, летом этого, 2026 года, зарубежные ученые рассказали, что смогли собрать небольшой прототип процессора из дисульфида молибдена, объединив на одном чипе 1400 транзисторов. Это доказывает, что технология взрослеет: ученые перешли от создания одиночных транзисторов к сборке полноценных микросхем. Конечно, 1400 штук — это пока очень мало по сравнению с миллиардами деталей в привычных кремниевых чипах, но начало положено.
При этом важно оставаться реалистами: говорить, что новый материал уже завтра выкинет кремний со всех заводов мира, пока слишком рано. Как пишут эксперты в авторитетном научном журнале Nature Communications, перед инженерами стоит еще множество сложных задач. Например, нужно научиться делать эти сверхтонкие пленки большими, ровными и абсолютно без брака (сейчас над этим активно бьются ученые в Китае, и им уже удалось создать такие пленки диаметром около 15 сантиметров).
Кроме того, новую технологию нужно как-то «подружить» с современными заводами, которые стоят миллиарды долларов и изначально заточены только под работу с кремнием. В России с этим проще, как ни парадоксально это звучит. Заводов у нас нет, поэтому отстраивать все с нуля гораздо проще и дешевле, чем переделывать старое. Важно также сделать производство новых чипов дешевым. Попутно нужно решить и кучу других технических проблем: как сделать чипы устойчивыми к жаре и влажности, как правильно добавлять в них примеси для настройки тока и как обеспечить их бесперебойную работу на долгие годы.
Из-за всех этих сложностей большинство специалистов уверены: в ближайшем будущем сверхтонкая электроника не убьет кремний, а будет работать вместе с ним. Новые материалы займут те ниши, где обычный кремний просто не справляется — там, где нужны невероятная компактность, способность гнуться, прозрачность или максимальная экономия батареи. И только потом, лет через десять или даже позже, эта технология созреет настолько, чтобы начать вытеснять кремний из обычных массовых компьютеров и смартфонов.
И вот здесь прорыв наших ученых из МФТИ становится невероятно важным не просто как научный факт, а как стратегический козырь для всей страны. Сейчас российская микроэлектроника находится под жесточайшими санкциями, из-за которых нам закрыли доступ к самым современным зарубежным заводам. Лучшее, что мы пока можем производить сами на массовом уровне (например, на зеленоградском заводе «Микрон»), — это чипы по нормам 90 нанометров. В это же время мировые гиганты вроде тайваньской TSMC или корейской Samsung уже делают чипы в 30–40 раз мельче (2–3 нанометра). Пытаться догнать их на их же поле, в производстве старого доброго кремния, — задача крайне тяжелая. Но благодаря открытию МФТИ у России появляется уникальный шанс.
Нам больше не нужно гнаться за уходящим поездом устаревающих технологий. Мы можем сразу перепрыгнуть в завтрашний день и вступить в гонку за технологиями будущего на абсолютно равных правах. В этой новой сфере мы выступаем не в роли отстающих, а как одни из лидеров, наравне с лучшими лабораториями из США, Китая и Швейцарии. Конечно, путь от красивой статьи в научном журнале до реальной фабрики, печатающей процессоры, очень долог. На это уйдут годы упорной работы и огромные финансовые вложения. Предстоит с нуля создать свои заводы, обучить специалистов и выстроить всю цепочку: от выращивания самих материалов до упаковки готовых чипов в корпуса.
Но самое главное уже сделано. Российские ученые смогли решить сложнейшую фундаментальную проблему, которая казалась многим тупиковой: они поняли, как прикрепить контакт к материалу толщиной в один атом и не уничтожить его. И особенно радует, что их метод подходит сразу для нескольких новых материалов и легко внедряется на уже существующем промышленном оборудовании. А это значит, что у России теперь есть мощный технологический задел, признанный мировым научным сообществом. Мы застолбили за собой место в самой главной технологической гонке ближайших десятилетий — гонке за право создать материал, который сменит кремний, когда тот окончательно упрется в пределы законов физики.
Информация