Графен снова повернул головы исследователей, на этот раз в мире вычислительной техники. По словам ученых, последние разработки привели к появлению нового метода, который означает, что материал может стать важным компонентом эволюции следующего поколения усовершенствованных, высокоскоростных и компактных суперкомпьютеров.

В Калифорнийском университете в Санта-Барбаре (UCSB) инженеры-исследователи в области вычислительной техники и электрики разработали метод использования наноразмерных межслойных межсоединений на основе графена (DMG), которые хорошо подходят для массового производства интегральных микросхем.

Тем не менее, одно из препятствий, с которыми сталкивается эта инновация, становящаяся реальностью, заключается в том, что она может встретить некоторое сопротивление со стороны полупроводниковой промышленности стоимостью в несколько миллиардов долларов. Так что может пройти некоторое время, прежде чем мы увидим суперкомпьютеры, оснащенные этим новаторским материалом.

Однако графен считается весьма логичным выбором при рассмотрении подходящих материалов для межсоединений, базовых компонентов, которые соединяют десятки транзисторов на микросхемах в компьютерах и широкий спектр других электронных устройств в современном технологическом ландшафте.

Это связано с тем, что графен в 100–300 раз прочнее стали и обладает максимальной плотностью электрического тока на порядок, превышающей плотность меди, а также обладает высокой гибкостью при толщине всего в один атом – это, несомненно, делает его самым тонким, прочным и надежным электропроводящим материалом в мире.

В течение более 20 лет межкомпонентные соединения производились с использованием меди в качестве основного материала, однако ограничения этого металла при уменьшении его до наноразмерного удельного сопротивления увеличиваются, что представляет собой «фундаментальную угрозу для полупроводниковой промышленности стоимостью 500 миллиардов долларов». , говорят исследователи из UCSB. Графен обладает потенциалом для решения этой проблемы, поскольку глобальное стремление к более умным, быстрым, легким и доступным технологиям и устройствам продолжает расширяться.

«Когда вы уменьшаете размеры медных проводов, их удельное сопротивление возрастает», утверждает Кауст Банерджи, профессор кафедры электротехники и вычислительной техники.

Удельное сопротивление – это свойство материала, которое не должно изменяться, но на наноуровне все свойства изменяются.

Кауст Банерджи

С тех пор, как графен был открыт еще в 2004 году, ученые и исследователи по всему миру работали над созданием коммерчески масштабируемых приложений и процессов для этого перегруженного материала. Команда UCSB теперь считает, что они нашли многообещающий метод использования графена для межсоединений.

Однако в процессе производства речь идет не просто о замене меди на графен, поскольку исследования все еще проводятся. Следовательно, перенос материала из университетского или другого производственного полигона в массовое производство и широкое использование – еще одно препятствие, которое необходимо преодолеть.

Профессор Банерджи утверждает, что единственный путь развития полупроводниковой промышленности – это когда «вы найдете способ синтезировать графен непосредственно на кремниевых пластинах». Проблемы возникают в процессе синтеза после изготовления транзисторов. – вы сталкиваетесь с тепловым бюджетом, который не может превышать температуру около 500 градусов по Цельсию.

Если кремниевая пластина становится слишком горячей во время внутренних процессов, используемых для изготовления межсоединений, другие элементы, которые уже находятся на микросхеме, могут быть повреждены или некоторые примеси могут начать диффундировать, изменяя характеристики транзисторов

UCSB

Теперь, после более чем десятилетней работы, лаборатория профессора Банерджи разработала инновационный метод твердофазной диффузии с помощью давления, который позволяет осуществлять прямой синтез высококачественного многослойного графена, совместимого с типичными стандартными промышленными процессами для массы. производство интегральных микросхем. Метод, который требует приложения давления и температуры к двум материалам в тесном контакте, чтобы заставить их диффундировать друг в друга. Таким образом, преодоление узкого места, связанного с риском повреждения или диффузии любых примесей к другим элементам, присутствующим на микросхемах, и сохранение характеристик транзисторов в неизменном виде.

Процесс начался с того, что команда UCSB нанесла твердофазный углерод в форме графита на осажденный слой никелевого металла оптимизированной толщины. Затем, подвергая графитовый порошок нагреву (около 300 градусов Цельсия) и давлению, он разрушал графит. Высокая диффузионная способность углерода в никеле позволяет ему быстро перемещаться через металлическую пленку, образуя множественные графеновые слои, поскольку атомы углерода затем рекомбинируют на другой поверхности никеля ближе к диэлектрической подложке.

Junkai Jiang, ведущий автор исследовательской работы UCSB, объясняющей процесс, сказал, что лаборатория смогла «оптимизировать толщину никеля и другие параметры процесса, чтобы получить именно то количество слоев графена, которое мы хотим на поверхности диэлектрика» .

«Поскольку наш процесс включает в себя относительно низкие температуры, которые не представляют угрозы для других изготовленных элементов на чипе, включая транзисторы, мы можем сделать межсоединения прямо над ними», г-н Цзян продолжает , С тех пор UCSB подала предварительный патент на свой инновационный процесс, надеясь преодолеть определенные барьеры, которые до сих пор препятствовали замене графена медью.

Проблема остается в том, чтобы заставить технологических гигантов, таких как Intel, которые каждый год производят огромное количество микросхем с большой прибылью, принять замену меди на графен в своем производственном процессе. Banerjee из UCSB ведет переговоры с отраслевыми партнерами, которые продемонстрировали заинтересованность в лицензировании совместимой технологии синтеза графена, которая может проложить путь к тому, что станет первым 2D-материалом, который войдет в массовую полупроводниковую промышленность.

Таким образом, хотя графеновые соединения помогают создавать более компактные, быстрые и гибкие интегральные схемы, которые являются одновременно более надежными и более экономичными. Следующая задача – побудить индустрию принять этот материал в свои ряды и рассматривать его как совместимого партнера для будущего суперкомпьютеров и других достижений науки и техники.