Благодаря кремниевой технологии созданы компьютеры, сотовые телефоны и другие, привычные нам электронные устройства. Однако кремниевые приборы практически достигли своих предельных параметров. Для дальнейшего прогресса и увеличения быстродействия процессоров при одновременном уменьшении энергопотребления нужны новые материалы с бОльшим спектром функциональных свойств, чем у кремния. Такие материалы есть, но их промышленное применение затруднено, так как их качество и уровень технологий производства приборов на их основе — низкие. Специалисты ИФП СО РАН и ИНХ СО РАН предложили решение проблемы, интегрировав синтез диоксида ванадия — материала с новыми свойствами — в существующую кремниевую технологию.
Привлекательность диоксида ванадия для электроники будущего в том, что его монокристаллы могут очень быстро переходить из полупроводникового состояния в металлическое. Однако при обычном фазовом переходе параметры кристаллической решетки изменяются на один процент, что приводит к разрушению кристалла, если синтезировать его на подложке из кремния. Решение этой проблемы исследователи предложили в своей предыдущей работе, вырастив нанокристаллы на вершинах кремниевых наноигл, диаметром около 20 нанометров. В этом случае площадь соприкосновения нанокристалла с такой «подложкой» кремния минимальна, и разрушения не происходит. Нанокристаллы VO2 служили у авторов резистивными переключателями с рекордной энергоэффективностью и долговечностью — ученые показали, что можно совершить более ста миллиардов обратимых переходов из металлического состояния в полупроводниковое.
«Мы формируем практически все элементы приборов из кремния, используя кремниевую технологию, и только на финальном этапе, в заданных местах: на кремниевых наноплощадках или иглах синтезируем монокристаллы VO2. Такой подход открывает возможность массового формирования высокоточных, дешевых VO2 наноприборов», — объясняет соавтор статьи заведующий лабораторией физики и технологии трехмерных наноструктур ИФП СО РАН член-корреспондент РАН Виктор Яковлевич Принц.
Ранее в мире в основном синтезировались и исследовались поликристаллические пленки VO2. Низкое качество таких пленок не позволяло использовать их для электронных приложений. Например, в 2015 году рекордное количество переключений, которое выдерживали пленки, не превышало одного миллиона, что означало деградацию прибора после секунды воздействия мегагерцового сигнала. Миллиарды кремниевых транзисторов в сотовых телефонах и компьютерах безотказно работают, прежде всего, потому, что они формируются из практически идеального монокристалла кремния.
«Несколько лет назад, когда мы только начинали работать с VO2, мы поставили перед собой амбициозную цель — создать высококачественный материал и довести технологию до промышленного внедрения», — подчеркивает Виктор Принц.
«Выполнив комплексные исследования морфологии, атомной структуры нанокристаллов, их состава и электрических характеристик, мы показали, что высококачественные монокристаллы диоксида ванадия синтезируются только в очень узкой оптимальной области температур. Отклонение от нее даже на 20 градусов приводит к существенному ухудшению свойств. В результате мы гарантированно можем синтезировать монокристаллы VO2 М-фазы, с практически идеальными характеристиками. Именно кристаллы М-фазы способны переключаться из полупроводникового состояния в металлическое при температурах близких к комнатной. Более того, мы научились управляемо синтезировать не только отдельные нанокристаллы и их массивы, но и более сложные структуры VO2 в виде трехмерных массивов наноколец. Отметим, что до наших работ такой управляемый синтез отсутствовал» — говорит соавтор статьи научный сотрудник лаборатории физики и технологии трехмерных наноструктур ИФП СО РАН Сергей Владимирович Мутилин.
Слева: высококачественный монокристалл VO2 , синтезированный на вершине кремниевой иглы и результаты исследований его атомной структуры. Справа: упорядоченные массивы наноколец VO2, селективно синтезированных на поверхности цилиндров, вытравленных из кремния с помощью Бош-процессов. Источник: Sergey V. Mutilin et al / CrystEngComm, 2020
Трехмерные массивы наноколец оксида ванадия могут служить, в частности, оптическими резонаторами в перестраиваемых метаматериалах. Это дает новые возможности для динамического управления светом, в том числе для развития быстродействующих систем передачи и обработки информации
«Часто, чтобы получить результат, необходимы нестандартные решения. Для формирования уникальных наноколец VO2, мы использовали особенности глубокого травления кремния с применением попеременных процессов ионного травления и пассивации, известного под названием “Бош-процесса”. При таком процессе на стенках вертикальных и трехмерных структур формируются «гребешки» обусловленные цикличностью процесса. Именно на этих «гребешках», опоясывающих вытравленные цилиндрические наноструктуры кремния нам удалось селективно синтезировать VO2 и тем самым сформировать трехмерные массивы замкнутых колец VO2. Важно отметить, что Бош-процесс очень широко применяется в промышленности, что открывает для нашей технологии возможность внедрения в производство. Мы предполагаем, что наш подход можно распространить на другие перспективные материалы», — добавляет Виктор Принц.
