Группа исследователей под руководством Филиппа Вонга (Philip Wong) из Стэнфордского университета экспериментально обнаружила, что, использовав графен в качестве барьерного слоя медных проводников в микросхеме, можно не только сделать ее более компактной, но и существенно увеличить скорость передачи данных между транзисторами. Соответствующая работа была
на Симпозиуме по
-технологиям, прошедшем в Японии с 15 по 18 июня 2015 года. Кратко о ней
на сайте университета.
Типичная микросхема в современном компьютере, помимо миллионов транзисторов, включает соответствующее количество крохотных медных проводников (шинок), по которым к транзисторам подводятся и отводятся электроны. Каждый из них, при этом, должен быть отделен от некоторых участков транзистора специальным слоем, предотвращающим миграцию атомов меди. Обычно для этого применяется нитрид тантала (Ta2N).
Группа Вонга решила попытаться заменить его на графен. В результате серии экспериментов выяснилось, что равный по удерживающей способности слой графена может быть в 8 раз тоньше, чем соответствующий слой нитрида тантала. При этом он так же эффективно не давал атомам меди мигрировать в прилегающие к ним кремниевые транзисторы, что сделало бы последние неработоспособными.
Одновременно с этим графен увеличил подвижность электронов в проводниках. Поскольку он является одноатомным слоем атомов углерода, перемещение электронов в нем происходит быстрее, чем в любом другом известном материале. Часть электронов временно покидая медь двигалась по графеновому слою, параллельно медному проводнику, а затем вновь попадали в последний, обгоняя те электроны, что шли через медь. Таким образом пропускная способность каждой из медных шинок, изолированных графеном, несколько увеличивалась.
В современных микросхемах графен увеличивает скорость шинки на 4-17% – в зависимости от того, какую длину имеет покрываемый им медный проводник. Однако в настоящее время размеры транзисторов продолжают сокращаться. При переходе от техпроцесса с элементами размером в 22 нанометра к элементам в 14 нанометров (а затем и 10 нанометров) длина медных проводников должна существенно сократиться. В этих условиях замена нитрида тантала на графен приведет к росту скорости пропускной способности шинок на 30%, прогнозируют исследователи.
При этом внедрение графена в эту область электроники не будет сопровождаться значительными доработками в смысле архитектуры или значительного переоснащения существующих производственных линий. «Графен давно считается многообещающим материалом для электронной промышленности, и использование его как барьерного слоя для меди может стать первым шагом на пути реализации этих расчетов», – отмечает Вонг.
Ранее ряд попыток других исследователей использовать графен как материал для транзисторов столкнулся со значительными трудностями, связанными с отсутствием у графена запрещенной зоны, типичной для полупроводников. В рамках подхода группы Вонга графен работает не полупроводником, а проводником (для электронов) и механическим разделителям (для атомов меди), что исключает возникновение вышеописанных проблем с отсутствием запрещенной зоны.