Новый материал для электроники будущего: фосфид ниобия может изменить технологии

По мере того как компьютерные чипы становятся все меньше и сложнее, ультратонкие металлические провода, по которым передаются электрические сигналы, стали слабым звеном. Стандартные металлические провода хуже проводят электричество по мере уменьшения их толщины, что в конечном итоге ограничивает размер, эффективность и производительность наноразмерной электроники.

В статье, опубликованной в журнале Science, исследователи из Стэнфорда показывают, что фосфид ниобия может проводить электричество лучше, чем медь, в пленках толщиной всего в несколько атомов. Более того, эти пленки можно создавать и осаждать при достаточно низких температурах, что совместимо с производством современных компьютерных чипов. Их работа может помочь сделать будущую электронику более мощной и энергоэффективной.

Мы преодолеваем фундаментальное узкое место традиционных материалов, таких как медь, — говорит Асир Интисар Хан, получивший докторскую степень в Стэнфорде, а сейчас являющийся приглашенным постдокторантом и первым автором статьи.

Наши проводники из фосфида ниобия показывают, что по ультратонким проводам можно передавать более быстрые и эффективные сигналы. Это может повысить энергоэффективность будущих микросхем, и даже небольшие выгоды становятся более значительными при использовании большого количества микросхем, например, в массивных центрах обработки данных, где сегодня хранится и обрабатывается информация.

Новый класс проводников

Фосфид ниобия исследователи называют топологическим полуметаллом, что означает, что весь материал может проводить электричество, но его внешние поверхности более проводящие, чем середина. Когда пленка фосфида ниобия становится тоньше, средняя область уменьшается, но ее поверхности остаются прежними, что позволяет поверхностям вносить больший вклад в поток электричества, а материалу в целом становиться лучшим проводником. Традиционные металлы, такие как медь, напротив, начинают хуже проводить электричество, когда их толщина становится меньше 50 нанометров.

Исследователи обнаружили, что фосфид ниобия становится лучшим проводником, чем медь, при толщине пленки менее 5 нанометров, даже при работе при комнатной температуре. При таких размерах медные провода с трудом справляются с быстро распространяющимися электрическими сигналами и теряют гораздо больше энергии на нагрев.

Электронике с высокой плотностью монтажа требуются очень тонкие металлические соединения, и если эти металлы плохо проводят электричество, они теряют много энергии и мощности, — говорит Эрик Поп, профессор инженерной школы Pease-Ye, профессор электротехники и старший автор статьи.

Лучшие материалы могут помочь нам тратить меньше энергии на маленькие провода и больше энергии на вычисления.

Многие исследователи пытаются найти лучшие проводники для наноразмерной электроники, но до сих пор лучшие кандидаты имели чрезвычайно точные кристаллические структуры, которые должны формироваться при очень высоких температурах. Пленки фосфида ниобия, созданные Ханом и его коллегами, являются первыми примерами некристаллических материалов, которые становятся лучшими проводниками по мере уменьшения их толщины.

Раньше считалось, что если мы хотим использовать эти топологические поверхности, нам нужны хорошие монокристаллические пленки, которые очень трудно осадить, — говорит Акаш Рамдас, докторант из Стэнфорда и соавтор статьи.

Теперь у нас есть еще один класс материалов — топологические полуметаллы, которые потенциально могут стать способом снижения энергопотребления в электронике.

Поскольку пленки фосфида ниобия не обязательно должны быть монокристаллами, их можно создавать при более низких температурах. Исследователи наносили пленки при температуре 400 градусов Цельсия — достаточно низкой, чтобы не повредить и не разрушить существующие кремниевые компьютерные чипы.

Если вам нужно сделать идеальные кристаллические провода, это не подойдет для наноэлектроники, — говорит Юрий Судзуки, профессор Школы гуманитарных и естественных наук Стэнли Г. Войцицки, профессор прикладной физики и соавтор статьи.

Но если вы можете сделать их аморфными или слегка неупорядоченными, и они по-прежнему будут обладать нужными вам свойствами, это открывает двери для потенциальных реальных применений.

Создание наноэлектроники будущего

Хотя пленки фосфида ниобия — это многообещающее начало, Поп и его коллеги не ожидают, что они внезапно заменят медь во всех компьютерных чипах — медь по-прежнему является лучшим проводником в толстых пленках и проводах. Но фосфид ниобия можно использовать для самых тонких соединений, и это открывает путь для исследований проводников из других топологических полуметаллов. Исследователи уже изучают аналогичные материалы, чтобы понять, смогут ли они улучшить характеристики фосфида ниобия.

Чтобы этот класс материалов нашел применение в будущей электронике, нам нужно, чтобы они были еще лучшими проводниками, — говорит Сянцзинь Ву, докторант Стэнфорда и соавтор статьи.

С этой целью мы изучаем альтернативные топологические полуметаллы.

Поп и его команда также работают над превращением пленок фосфида ниобия в узкие проволоки для дополнительных испытаний. Они хотят определить, насколько надежным и эффективным может быть материал в реальных приложениях.

Мы взяли очень крутую физику и перенесли ее в мир прикладной электроники, — говорит Поп.

Такой прорыв в области некристаллических материалов может помочь решить проблемы с питанием и энергией как в нынешней, так и в будущей электронике.

Ранее ученые сообщили о разработке чипа для диагностики приступов.

09.01.2025