Группа китайских исследователей разработала транзистор, который можно будет выпускать в рамках техпроцесса 3-нм. Об этом сообщает издание South China Morning Post (SCMP). В отличие от 3-нм структуры транзистора компании Samsung, предполагающей переход на полностью окруженные затворами каналы в виде наностраниц, «китайский» 3-нм транзистор выполнен в виде каналов из вертикальных FinFET-ребер, окруженных затворами только с трех сторон. Другое отличие разработки ученых из Института микроэлектроники Китайской академии наук заключается в материале, из которого изготавливается транзистор. Это ферроэлектрик, и в этом суть изобретения. Кстати, на него уже выдан патент.
«Работа китайских ученых не полностью уникальна, при этом она является частью общего направления работ по систематическому уменьшению размеров транзисторных структур ИС, которые ведутся уже на протяжении пятидесяти лет во всех ведущих полупроводниковых фирмах, — рассказал “Стимулу” начальник лаборатории ГНЦ РФ “Научно-производственный комплекс “Технологический центр” Евгений Кузнецов. — Такая масштабная миниатюризация — это движущий фактор развития микро-, а сейчас уже и наноэлектроники. Это развитие и определяет, на наш взгляд, научно-технический прогресс на протяжении последнего десятилетия во всех областях деятельности — в частности, появление таких сложных систем, как искусственный интеллект».
Как отмечает SCMP, проблема при изготовлении 3-нм транзистора даже не в том, что его размеры становятся слишком маленькими (сравнимыми, например, с нитью ДНК). Препятствием для уменьшения размера транзистора является так называемая больцмановская тирания (Boltzmann Tyranny). Это фундаментальное ограничение, которое сопровождается снижением рассеивания мощности в процессе работы электронного прибора. Попросту говоря, после определенного уменьшения размера транзистора он перестает рассеивать рабочее тепло и, следовательно, сгорает. Чтобы этого не произошло, необходимо снижать питание, но ниже порогового значения опуститься нельзя. Это противоречит физике процессов в полупроводниках. И тогда на помощь приходят ферроэлектрики. Точнее, такое теоретически известное и парадоксальное явление в ферроэлектриках, как отрицательная емкость.
Устойчивый отрицательный конденсатор впервые представлен физически всего лишь два месяца назад. Но это явление предсказывалось давно и даже воспроизводилось экспериментально, но с соблюдением строго заданных условий. Суть явления в том, что по мере роста напряжения емкость не увеличивается, а уменьшается. Это позволит снизить напряжение питания ниже порогового значения. Китайские разработчики сумели воплотить эффект отрицательной емкости в конструкции 3-нм транзистора. Если верить поставленным экспериментам, напряжение питания транзисторов удалось снизить в два раза по сравнению с теоретическим минимумом.
«Принципы изготовления и конструкция, требования к материалам столь малых транзисторных структур давно известны и изложены во многих технических статьях, которые уже более десяти лет назад подтверждены экспериментальными образцами. Известна также транзисторная структура с “отрицательной затворной емкостью”, о которой идет речь в статье китайских ученых. В представленной научно-популярной статье суть работы транзистора не совсем точно интерпретирована. Отрицательная емкость здесь используется для более резкого перехода транзистора из состояния “включено — выключено” и наоборот. В итоге это позволяет снизить напряжение питания при том же уровне утечки, а значит, сократить общее потребление в системе, что является одной из фундаментальных проблем современных микросхем высокой степени интеграции. Достоинство статьи в том, что известные принципы они подтвердили на сложной трехмерной транзисторной структуре будущих ИС».
На следующем этапе китайские ученые намерены создать техпроцессы для коммерческого внедрения разработки. Однако на это уйдет несколько лет. Для поддержки этого процесса китайские власти готовы освободить компании, желающие заняться внедрением разработки, от уплаты налога сроком на пять лет. Если все получится, Китай сократит отставание от мировых лидеров в производстве полупроводников.
Недавно стало известно, что компания TSMC первой в мире приступила к освоению техпроцесса 2 нм. На его основе будут производиться мобильные процессоры для смартфонов и прочих гаджетов, а также чипы различного назначения. Процесс находится на одном из начальных этапов.
«Столь минимальные транзисторные структуры необходимы только в больших интегральных системах, а изготовление и проектирование таких систем намного более комплексная и более сложная технологическая задача, — поясняет Евгений Кузнецов. — Поэтому говорят о технологических поколениях ИС, характеризующихся минимальным размером элемента. В настоящее время в последних моделях смартфонов используются процессоры, изготовленные по 7-нм технологии, а к 2030 году намечается уменьшение проектных норм до 2–1,5 нм».
Пути и планы достижения этих предельных размеров (с перечнем НИОКР, которые необходимо для этого выполнить) расписаны в международной дорожной карте развития полупроводниковой промышленности, к составлению которой привлечены лучшие мировые ученые и специалисты. Дальнейшее уменьшение размеров ограничено фундаментальными физическими пределами, и технологическая платформа, которая называется КМОП-технология, себя исчерпает, поэтому необходим поиск новых технологических парадигм.
«К сожалению ни российские ученые, ни научные и производственные предприятия практически не участвуют в этом мировом процессе развития наноэлектроники, — отмечает Евгений Кузнецов. — В программе приоритетных направлений научно-технологического развития России базовые технологии наноэлектроники не выделены. В программе обозначены только производные от этого направления».
По мнению ученого, с этой точки зрения российским исследователям предоставляется возможность сосредоточиться на поиске новых фундаментальных пост-КМОП-технологий, а российской науке — попытаться занять лидирующие позиции в этих новых направлениях.
По информации https://stimul.online/news/v-kitae-razrabotali-trekhnanometrovyy-tranzistor/
Обозрение "Terra & Comp".
