Минувший год окончательно доказал, что микроэлектроника — ключевая отрасль мировой промышленности. Сюда вливаются миллиарды инвестиций (капиталовложения $160 млрд в 2022 г.) и привлечено внимание крупнейших государств, которые понимают всю важность вопроса.
Такое внимание даёт повод называть нынешнее время «золотой эпохой в микроэлектронике». Никогда ещё отрасль не была в таком почёте у человечества. В выигрыше от этого и потребители, и бизнес, и учёные, которые могут насладиться щедрым финансированием исследований.
Вот некоторые из самых интересных научно-технических разработок второй половины 2023 года.
▍ Самый быстрый полупроводник
Учёные из Колумбийского университета в США изготовили сверхбыстрый полупроводник. Время обработки данных в нём исчисляется в фемтосекундах, что в миллион раз быстрее нынешней гигагерцевой электроники.
Вообще, ограничения скорости кремниевых чипов связаны с колебаниями атомов, которые в твёрдых материалах перемещаются в виде квазичастиц, известных как фононы. К сожалению, эти фононы рассеивают и электроны, и экситоны (носители информации в микросхеме).
Так вот, новый полупроводник из рения, селена и хлора решает проблему рассеяния экситонов. Атомы Re6Se8Cl2 образуют кластеры (суператомы), каждый из которых ведёт себя как один большой атом, но обладает свойствами, отличными от свойств исходных элементов. В кластере шесть атомов рения находятся внутри куба из восьми атомов селена, а сверху и снизу — по атому хлора.
В общем, когда экситоны вступают в контакт с фононами Re6Se8Cl2, то вместо рассеяния они связываются вместе, образуя новые квазичастицы, так называемые акустические экситон-поляроны (см. видеозапись и анимации этого процесса).
Движение экситон-полярона в Re6Se8Cl2, съёмка с электронного микроскопа, источник
Это первый в мире материал, в котором обнаружено устойчивое движение экситонов при комнатной температуре.
Хотя экситон-поляроны расходятся концентрическими кругами, их следует отличать от поверхностных акустических волн (SAW), показанных здесь на снимках с электронного микроскопа на длине волны 650 нм (1,91 эВ). Скорость поляронов (2,3 км/с) заметно выше, чем SAW (1,6 км/с), источник
Электроны в полупроводниках обычно рассеиваются через несколько нанометров, а время их существования измеряется фемтосекундами. В то же время акустические экситоны-поляроны в Re6Se8Cl2 успешно преодолели несколько микрометров (на три порядка дальше) за наносекунду (на шесть порядков дольше), причём их скорость вдвое выше, чем скорость электронов в кремнии. Поскольку поляроны способны существовать около 11 нс, акустические экситон-поляроны могут преодолеть более 25 микрометров, прежде чем рассеяться, считают учёные. По сути, это фотонное устройство, в котором скорость обработки данных измеряется в фемтосекундах.
Любопытно, что сверхбыстрый полупроводник был обнаружен случайно в ходе испытаний лабораторного микроскопа.
(A) Конфигурация системы для записи движения квазичастиц с фемтосекундным разрешением. Сверху stroboSCAT, а снизу регистратор STR (spacetime transient reflection), то есть переходного отражения в пространстве-времени), источник
Упрощённая схема STR. В плоскости сенсора делается щель. Изображение после щели спектрально разрешается спектрометром, а затем попадает на 2D-камеру. В результате пространственная ось проходит по одному измерению, а спектральная — по другому, источник
Изначально учёные не предполагали у Re6Se8Cl2 таких феноменальных свойств.
Наряду с графитом и гексагональным нитридом бора, он является ван-дер-ваальсовым материалом. Такие материалы состоят из сложенных друг на друга плёнок гладких, атомарно тонких слоёв, удерживаемых вместе слабыми электрическими силами, известными как ван-дер-ваальсовы взаимодействия. И у таких материалов часто обнаруживаются некие гибридные непредсказуемые свойства.
Если говорить о массовом производстве, то основная проблема в том, что новый полупроводник включает крайне редкий элемент рений. Впрочем, вероятность применения в электронике всё-таки есть. Этот материал уже используется в промышленности (в металлических сплавах). Например, его добыча в США составляет около 8000 кг, а стоимость примерно $10 за грамм, что вполне рентабельно для современных CPU.
Вес микросхемы (die) современного CPU составляет около грамма
Результаты исследования опубликованы 27 октября 2023 года в журнале Science (doi: 10.1126/science.adf2698).
▍ Новая солнечная ячейка из перовскита
Ещё одно заметное открытие — это инвертированные перовскитовые солнечные элементы, которые впервые превысили барьер кпд 25% по преобразованию солнечной энергии в электрическую. Тут тоже инновация заключается в химии материалов.
Экономика солнечной панели — единственный главный фактор, который на сегодня имеет значение. То есть новая ячейка должна давать больше общей электроэнергии на конкретную площадь в течение срока своей службы, в отношении к затратам на стоимость её производства. Поэтому повышение кпд имеет большое значение, солнечные панели уже сейчас окупаются во многих странах даже при индивидуальном использовании.
Изобретением является добавление в солнечный элемент двух молекул, снижающих потери преобразования. Первая молекула решает проблему поверхностной рекомбинации, при которой электроны теряются, попадая в ловушку дефектов (недостающих атомов на поверхности). Вторая молекула PDAI2 (пропан-1,3-диаммоний йодид) решает проблему рекомбинации на границе между слоями (граница раздела фаз). В результате кпд элемента значительно возрастает.
Перовскитная солнечная ячейка на основе DMDP под электронным микроскопом, масштаб 100 нм
В итоге сертифицированная Национальной лабораторией возобновляемой энергии (NREL) эффективность перовскитового солнечного элемента составила 25,1%, в то время как предыдущий рекорд был всего 24,09%. Исследование опубликовано 16 ноября 2023 года в журнале Science.
Традиционные солнечные элементы изготавливаются из высокочистых кремниевых пластин, которые могут поглощать только определённый диапазон спектра. Размер и состав перовскитных материалов можно изменять, чтобы «настроить» длины поглощаемых волн света. Перовскитная плёнка — потенциально более дешёвая и эффективная технология.
Судя по темпам развития, за солнечной энергетикой будущее человечества. Теоретически, относительно небольшой участок в Сахаре обеспечит электроэнергией всю Европу.
Проект Desertec, план 2009 года, источник
Правда, желательно ещё проложить провода из суперпроводников или перевести энергию в нечто транспортабельное, вроде жидкого водорода. В любом случае, теперь проекты типа Desertec не кажутся слишком фантастическими.
Стоимость единицы продукции некоторых форм возобновляемой энергии и батарей пассажирских EV снижается, в то время как их использование растёт, источник
Гелиоконцентратор на 210 МВт в чилийской пустыне Атакама (сохранение энергии в солевом расплаве более 16 часов позволяет солнечной электростанции генерировать электричество круглосуточно)
▍ UltraRAM: память нового типа на замену DRAM и NAND
Возвращаясь к компьютерным чипам, на Хабре уже упоминалось о новом революционном материале UltraRAM от компании QuInAs, который объединяет свойства оперативной и постоянной памяти. По сути, это DRAM с сохранением состояния, то есть персистентная память, которая без подачи электропитания сохраняет состояние более тысячи лет, а под напряжением работает словно быстрая оперативка, выдерживая минимум 10 млн циклов перезаписи (больше ещё не тестировали). Проект успел получить премию как самый инновационный стартап в области флеш-памяти за 2023 год.
Теоретический базис UltraRAM был представлен в научной статье авторов из Ланкастерского университета (Великобритания) в январе 2022 года (doi: 10.1002/aelm.202101103). В сентябре 2023 года был изготовлен первый прототип (на КДПВ) и закуплено оборудование для производства более продвинутого прототипа 20 нм с целью подтверждения характеристик чипа.
Переход на персистентную память означает принципиальное изменение парадигмы программирования, отказ от концепции «файлов», «буфера» и так далее. Хотя многий софт придётся переписать, но сами компьютеры станут проще и эффективнее.
Это лишь немногие из списка самых интересных разработок последнего времени в области микроэлектроники. Нет, такими темпами закон Мура не похоронить, как кто-то собирался несколько лет назад. Наоборот, прогресс в разработке микроэлектроники сейчас особенно бурный.
Автор: Анатолий Ализар
