Его Величество Кремниевый Транзистор, вот на ком держится весь мир современной электроники. Безусловно, в природе существует великое количество других химических элементов и соединений, которые человечество сумело адаптировать для нужд промышленного производства полупроводников, но все они на сегодняшний день, несмотря на свои уникальные качества, всего лишь слабые тени кремния, особенно когда речь заходит о количествах выпускаемых полупроводников.
Уникальные свойства кремниевых полупроводников вкупе с его распространённостью и доступностью – как-никак, земная кора состоит из кремния на 30%, стали основными факторами современной ситуации в полупроводниковой промышленности. Однако совсем скоро дни кремниевого господства в электронике будут сочтены.
Дело в том, что гигантские темпы совершенствования полупроводников привели к тому, что совсем скоро – вероятнее всего, в ближайшее десятилетие, мы достигнем предела физических возможностей кремниевых полупроводниковых устройств в их классическом понимании. Ибо уже сейчас при производстве CMOS чипов приходится оперировать величинами порядка десятков нанометров. Сегодня речь идёт о 32-нм затворах наиболее современных транзисторов с 15-нм каналами затвора. На повестке дня – ориентировочно к 2011 году, переход к нормам 22 нанометров (с 10-нм каналами), далее, ближе к 2013 году, ожидается начало массового производства с нормами 16 нанометров (с 7 нм каналами), к 2015 году – с нормами 11 нанометров (с 5-нм каналами). К 2017 году ожидается переход к производству с нормами 8 нанометров, когда ширина канала затвора составит всего 3 нанометра.
Пока что совсем непонятно, какие материалы и технологии будут использоваться для достижения столь амбициозных целей. Например, при достижении толщины 2,3 нм оксид кремния становится полностью непригодным в качестве традиционной роли диэлектрика из-за утечек тока вследствие туннельного эффекта. Впрочем, уже при достижении 30-нм норм токовые утечки столь велики, что о надёжном срабатывании транзисторного перехода и речи быть не может.
И так со всеми применяемыми материалами. Однако это ещё цветочки. Дело в том, что по мере приближения к нормам техпроцесса, отсчитываемым единицами нанометров, мы вплотную приближаемся к атомарным величинам. Осмелюсь напомнить, что после нанометров по шкале уменьшения длин у нас следуют ангстремы – Å, соответственно, 1нм = 10Å.
Так вот, расстояние между атомами в кристаллической решётке кремния составляет всего 5,4 Å! Представьте себе пять атомов кремния, поставленных "на попа" – именно такими величинами придётся оперировать при работе с нормами 8-нм техпроцесса. Оперировать даже такими масштабами фантастически сложно (напомню, речь идёт о промышленности; не о лабораторном выращивании отдельных транзисторов, но о массовом производстве безотказных процессоров на базе миллиардов упорядоченных транзисторных переходов). Говорить о меньших производственных нормах тем более непросто: речь в этом случае идёт фактически о жонглировании отдельными атомами, а там, как известно, в силу вступают совершенно другие физические законы.
Что же будет дальше? Наступит конец кремниевой электроники, или даже Закона Мура в классическом его понимании?
Это вряд ли. Не думаю что существует такая сила, которая смогла бы остановить, или хотя бы притормозить технический прогресс. Прежде всего, кремниевые технологии, даже если однажды и "упрутся" в физический предел, вряд ли остановят своё развитие в качественном плане. Только за счёт улучшения экономичности и производительности кремниевая электроника способна совершенствоваться не одно десятилетие. Кроме того, уже сейчас придумано множество способов повышения производительности электронных устройств, когда уменьшение норм техпроцесса хоть и желательно, но совсем необязательно. Достаточно хотя бы вспомнить, чем несколько лет назад закончилась пресловутая "гонка гигагерцев": вдруг оказалось, что вместо увеличения длины конвейера и усложнения модуля ветвления предсказаний вычисления гораздо выгоднее распараллеливать на несколько процессорных ядер, а в некоторых случаях – передавать часть задач специализированным ядрам.
Наконец, кремний – не единственный природный материал, пригодный для создания полупроводников. По большому счёту, почти все окружающие нас неорганические соединения обладают полупроводниковыми свойствами, и даже кое-что из органики. И пусть в высокопроизводительных приложениях эстафету кремния со временем примет какой-нибудь другой материал – оптоэлектроника, спинтроника, графеновая электроника и другие технологии развиваются нынче гигантскими темпами, кандидатов на эту "должность" нынче предостаточно. Но кто сказал, что в большинстве бытовых и промышленных электронных приборов завтрашнего дня должен обязательно работать кремний или наследник его нынешней полупроводниковой империи.
Как насчёт пластмассовых транзисторов? Тем более что в этой области в последнее время также достигнут немалый прогресс, а применение пластиковых полупроводников сулит не только новые интересные сферы применения электроники, но и небывалую экономию. Впрочем, последнее – это как раз норма для тех сфер промышленности, где рано или поздно появляется пластмасса.
Совсем недавно о новой технологии производства электропроводящих пластиков объявили разработчики Университета Принстонского университета (Princeton University), что в Нью-Джерси, США. Дело в том, что в большинстве своём органические полимеры, то есть, пластмассы, представляют собой диэлектрики. Принципиально электропроводящая пластмасса, открытая примерно десятилетие назад, не является чем-то уникальным и на сегодняшний день представляет собой достаточно привычный продукт. Другое дело, что попытки сделать из таких полимеров что-нибудь практически полезное до сих пор редко приводят к результатам, существенным для нужд массового производства.
Основная проблема заключается в том, что все попытки улучшить характеристики токопроводящих пластмасс приводят или к потере технологичности пластика, то есть, возможности формировать из полимера структуры необходимой формы, или к снижению и без того не блестящей электропроводности. Для промышленной электроники очень важно, чтобы оба эти параметра оставались на высоте, но до сих пор на практике увеличение технологичности означало неминуемое ухудшение электропроводимости материала.
Что же делать? Учёные из Принстона после долгих экспериментов с разными типами полимеров и разными методиками их обработки всё же смогли найти фантастически изящный и весьма хитроумный способ догнать обоих зайцев. Дабы не загромождать эту публикацию заумными химическими формулами, графиками и терминами, дальше мне придётся пойти на некоторое упрощение описания процесса, но надеюсь, передача смысла открытия от этого только выиграет.
Итак, если не получается создать гибкий технологичный пластик без одновременной потери электропроводности, то почему бы не воспользоваться каким-либо промежуточным состоянием вещества с сохранением гибкости, который при финальной обработке смог бы вернуть драгоценную электропроводность? Отличная идея, осталось найти такой способ на практике.
В своих экспериментах учёные из Принстона воспользовалась методикой кислотной обработки полимеров. Специалистов-химиков и просто шибко интересующихся, каких именно полимеров, какими именно кислотами и при каких условиях, я отправляю к базовой публикации Directly patternable, highly conducting polymers for broad applications in organic electronics, опубликованной недавно в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Остальным же сообщаю: суть – в изобретении механизма перевода электропроводящего полимера в жидкое состояние консистенции чернил, в котором проводимость снижается примерно в тысячу раз, но, будучи затем "напечатанным", то есть, пройдя этап формовки, и в последствии пройдя восстановительный этап, пластик вновь обретает искомую проводимость, но уже в ипостаси необходимой заданной формы.
Говоря ещё проще, учёным удалось создать консистенцию пластика, вполне подходящую для заправки картриджей струйных принтеров (Кстати, если вам надоело тратить кучу денег на картриджи своего принтера, можно попробовать СНПЧ в Киеве на Патронсервис). Вставляем картридж с "пластиковыми" чернилами в струйный принтер, печатаем на подложке необходимые нам линии, затем восстановительная стадия (пост-обработка, вроде фиксажа при фотопечати, или термообработки при лазерной печати, или просто пластификации), и вот он результат: готовый чип с восстановленной электропроводностью пластиковых дорожек.
Не останавливаясь на этом, заправляем картриджи цветного принтера "чернилами" из полимерных проводниковых, полупроводниковых и изоляционных материалов, печатаем всё это счастье на дешёвой полимерной подложке, и в результате получаем полностью пластмассовые чипы с ценой, как говорится, ниже плинтуса. На иллюстрации ниже приведено изображение пластикового транзистора, где оранжевый цвет изображает специальным образом сконфигурированный пластиковый электрод, обеспечивающий прохождение тока активного канала (зелёный цвет).
Каковы практические перспективы применения этого метода? Оказывается, такие материалы уже давно ждут в солнечной энергетике. Дело в том, что до сих пор в ячейках солнечных батарей в качестве проводников широко используется оксид индия, легированный оловом (Indium Tin Oxide, ITO), достаточно дорогой материал, используемый помимо солнечных батарей в разных типах ЖК-панелей. Потенциальная возможность массового производства солнечных батарей с пластиковыми проводниками – внушительный повод, чтобы отнестись к изобретению учёных из Принстона со всей серьёзностью, особенно сейчас, когда поиск альтернативных источников энергии в большинстве случаев натыкается на высокую себестоимость таких установок.
Кроме того, именно в медицинской технике в первую очередь могут найти применение такие "струйно-печатные" электронные устройства как, например, цельнопластиковые крупноформатные дисплеи и разнообразное медицинское диагностическое оборудование. Дело в том, что полученный в результате экспериментов пластик обладает ещё одним уникальным свойством, способным найти широкое применение в детской медицине. Окись азота, образующаяся при возникновении детских ушных инфекций, меняет цвет этого полимера с жёлтого на зелёный. Таким образом, появляется отличный способ для производства простых и доступных детекторов инфекций, для любых, даже наименее обеспеченных регионов планеты.
На перспективу новый проводящий пластик имеет все шансы стать, например, основой нового класса гибких дисплеев. Впрочем, будет уже очень неплохо, если в перспективе этот полимер сможет стать частью уже существующих технологий массового производства и со временем заменит некоторые металлические проводники.
Вот, собственно, всё, что хотелось сказать сегодня по поводу кремниевой электроники, которая в обозримом будущем собирается помирать и даже, по слухам, оставить нас на этом свете сиротинушками.
Источники:
Обсудить данный материал можно в специальной ветке нашего форума.
