Первый в мире бескремниевый 2D-транзистор GAAFET

Исследователи из Пекинского университета разработали первый в мире двухмерный энергосберегающий транзистор GAAFET, который превосходит по производительности продукты мировых брендов как Intel, Samsung, TSMC. GAAFET является одновременно самым быстрым и маломощным транзистором на сегодня.

Основное достижение команды заключается в использовании двухмерных материалов на основе висмута для создания GAAFET, что позволило преодолеть ограничения кремниевых транзисторов.

Несмотря на то, что предыдущие попытки использовать двухмерные материалы в GAAFET сталкивались с проблемами структуры и материалов, что мешало им конкурировать с кремниевыми транзисторами по производительности, исследователи заявили, что им удалось преодолеть эти сложности, разработав уникальные материалы на основе висмута

Для того, чтобы понять технические подробности, начнем с объяснения, что такое GAAFET. Транзисторы с эффектом поля «вокруг затвора» (GAAFET) представляют собой следующую эволюцию в технологии транзисторов, пришедшую на смену MOSFET и FINFET.
Развитие технологий транзисторов в значительной степени было обусловлено улучшением контроля над взаимодействием между истоками и затворами. У MOSFET исток соединён с одним плоскостью затвора, у FINFET затвор охватывает истоки с трёх сторон, а у GAAFET истоки окружены затворами со всех сторон, как следует из названия. На диаграмме ниже представлено отличие этих технологий, включая собственную версию GAAFET от Samsung, MBCFET.

Технология GAAFET не является новостью — она уже играет важную роль в производстве микросхем на уровнях 3 нм и ниже. Основным прорывом, предложенным командой Пекинского университета, является 2D структура их транзисторов, которая достигается благодаря материалу, отличного от кремния.

Bi2O2Se (оксиселенид висмута) — это перспективный полупроводниковый материал, который активно исследуется для применения в процессах с технологическими узлами менее 1 нм. Его уникальные свойства, включая двухмерную структуру, делают его отличным кандидатом для использования в сверхмалых компонентах.
Двухмерные материалы, такие как Bi2O2Se, обладают особенными характеристиками, которые отличают их от традиционных трёхмерных полупроводников, таких как кремний. В отличие от кремния, который на малых масштабах сталкивается с проблемами, такими как снижение подвижности носителей заряда (электронов и дырок), двухмерные материалы сохраняют высокую подвижность носителей даже в пределах нанометров. Это происходит потому, что в двухмерных материалах электроны могут двигаться с меньшими потерями энергии, благодаря специфическим свойствам их структуры, которая ограничена в одном направлении. Это позволяет создавать более быстрые и эффективные устройства, работающие на меньших масштабах.

Кроме того, 2D полупроводники, такие как 2D Bi2O2Se, гораздо более гибкие и прочные при малых размерах. Это даёт им значительное преимущество перед кремнием, который, несмотря на свою универсальность, начинает терять свою эффективность при переходе к узким технологическим процессам (например, на 10 нм и ниже). На таких масштабах кремний сталкивается с проблемой ухудшения подвижности носителей, что снижает общую производительность транзисторов и других компонентов.

Bi2O2Se и другие двухмерные материалы открывают новые возможности для дальнейшего миниатюризации и улучшения производительности полупроводников, что особенно важно для создания сверхмощных и энергоэффективных микросхем с процессами 1 нм и ниже.

В условиях торговой войны с США, из-за которой КНР лишена прав к доступу к ключевым технологиям, таким как EUV-литография, страна активно вкладывает инвестиции в разработки и исследования, чтобы обогнать мировую индустрию. Несмотря на неопределённость по поводу массового применения GAAFET, эти разработки демонстрируют готовность Китая к инновациям и росту в условиях политических и торговых ограничений.