Цифровой журнал «Компьютерра» № 59

Компьютерра 07.03.2011 - 13.03.2011

Интервью

Виктор Атучин (Институт физики полупроводников СО РАН) о молибдените Алла Аршинова

Опубликовано 10 марта 2011 года

Существует ли замена для кремния в микроэлектронике? Такой вопрос всплывает всякий раз, когда приходит очередная новость об исследовании других полупроводников. Опубликованная недавно в Nature Nanotechnology статья о молибдените произвела такой же эффект.

Статья описывала результаты интересного эксперимента: ученые из Федерального политехнического института Лозанны отделили тончайший слой молибденита, закрепили его на подложке и создали специальную электродную структуру для контакта.

Эксперимент хотя и красив, но вовсе не дает поводов списывать со счетов кремний.Виктор Атучин рассказал «Компьютерре», что публикация в уважаемом журнале была многими понята превратно, и молибденит очевидно не сможет заменить кремний. Тем не менее, этот известный кристалл дисульфида молибдена вполне способен сыграть важную роль.

- Что такое молибденит, и какими свойствами он обладает?

- Молибденит — это давно известный минерал, широко распространенный по земному шару. Он является основным промышленным сырьем для производства металлического молибдена. По своей химической природе он представляет собой соединение молибдена и серы с формулой MoS₂. Цветом он похож на обычный металл — типа стали. На воздухе молибденит нестабилен. Это значит, что при достаточно длительном контакте с атмосферой он реагирует с кислородом и парами воды, то есть происходит обычная химическая реакция окисления. В результате получается оксид молибдена MoO₃, а в качестве побочных газообразных продуктов выделяются оксиды серы и сероводород. Вот рисунок, на котором изображён один из особенно красивых образцов природного молибденита. Звездчатые кристаллы молибденита вкраплены в окружающую породу.

_{Кристаллы молибденита, Нижняя Силезия, Польша}

Основное специфическое свойство молибденита — это его выраженная слоистая кристаллическая структура. В плоскости слоев атомы молибдена и серы связаны прочными ковалентными связями, которые трудно разорвать. Но в направлении, перпендикулярном слоям, химические связи очень слабые и легко разрываются, например, при минимальном механическом воздействии. Если размять молибденит пальцами, то на коже останется слой с жирным металлическим блеском — это на поверхности застряли мелкие чешуйки молибденита. Это свойство широко используют в машиностроении для изготовления смазок для поверхностей, трущихся в вакууме. То есть по своим механическим свойствам молибденит подобен графиту и многим другим твердым веществам с выраженной слоистой структурой.

Другие физические свойства молибденита изучены в значительно меньшей степени. Конечно, мы знаем его основные параметры типа кристаллической структуры, плотности и электрической проводимости. Однако необходимо помнить, что определялись они, в основном, при изучении природных образцов молибденита, которые всегда содержат много примесей. Совершенно очевидно, что электронные и оптические свойства искусственно выращенных кристаллов молибденита могут значительно отличаться от параметров природных образцов.

- Молибденит и раньше использовали как полупроводник. Почему только сейчас появилась мысль применить его в микроэлектронике?

- На заре электроники не умели получать чистые полупроводниковые кристаллы. Сначала в поисках полупроводниковых веществ исследователи массово изучали материалы, лежащие под рукой. Молибденит действительно является полупроводником, что и было обнаружено давным-давно. На основе природных кристаллов удалось даже изготовить работоспособные приборные структуры, однако сколько-нибудь широкого применения они не нашли. Электронные свойства природных кристаллических минералов весьма отличаются от образца к образцу, так как состав и концентрация примесей сильно варьируются для различных месторождений. Развивать электронику на таких материалах невозможно. Как только в электронике появились германий и кремний, молибденит был основательно забыт, как и многие другие кристаллы с полупроводниковыми свойствами, применявшиеся на заре радиотехники. Точнее, эти материалы были уложены на полку, и все исследовательские ресурсы сконцентрировались на кремнии, германии, арсениде галлия. Однако физики про молибденит не забывали все это время, и как только началась эпоха слоистых углеродных материалов семейства графена, исследователи вполне логично обратились к рассмотрению и других слоистых материалов, которых известны сотни и тысячи. Молибденит среди них вызывает повышенное внимание. То есть в забеге графена и молибденита графену просто повезло стартовать в некоторым временным отрывом, не более.

- Если сравнивать его с кремнием, какие у него есть преимущества?

_{Пластинчатые кристаллы ?-MoO (ИФП СО РАН, Новосибирск)}

- Так ставить вопрос вообще неправомерно. Сначала нужно определить преимущества для чего? В качестве иллюстрации можно привести следующий пример. Сейчас в любом домашнем компьютере вы найдете кучу микросхем на основе кремния. Молибденита там нет и в помине, тут он кремнию очевидно не конкурент. Любой микроэлектронный материал описывается целой совокупностью физико-химических параметров и сравнивать различные полупроводниковые кристаллы между собой можно лишь при точной привязке к конкретному электронному прибору. Далее, при переходе к практическому применению, решающую роль играют такие факторы, как совокупность известных для избранного материала технологий и стыкуемость с другими материалами в составе микроэлектронных схем. Экономические ограничения также весьма немаловажны. Приведу общеизвестный пример. Быстродействие электронной схемы во многом определяется скоростью движения носителей заряда по кристаллической решетке. Физики называют это