Найден способ повысить энергоэффективность технологий 3D-печати транзисторов

Революция в мире электроники началась в 1947 году с изобретения первого транзистора, громоздкого устройства размером с сантиметр.  Однако, стремление к повышению производительности и снижению энергопотребления компьютеров и других электронных гаджетов неуклонно вело к миниатюризации. Сегодня мы имеем дело с транзисторами, размеры которых измеряются в нанометрах – миллиардных долях метра.  Это невероятное уменьшение размеров стало возможным благодаря постоянному совершенствованию технологических процессов.  Одним из наиболее перспективных и экономически выгодных методов производства таких микроскопических устройств является аддитивное производство, или, проще говоря, трехмерная печать.

Однако,  3D-печать транзисторов представляет собой сложную задачу, требующую специфических материалов – так называемых «чернил» для 3D-принтера. Эти чернила должны обладать уникальными свойствами.  Во-первых, они должны оставаться в жидком, легко перекачиваемом состоянии при прохождении через сопла печатающей головки.  Важно, чтобы вязкость чернил была тщательно подобрана,  исключая засорение мелких сопел.  Более того,  жидкость должна иметь оптимальную поверхностную натяжение, обеспечивающее четкость и точность нанесения. Во-вторых, и это ключевой момент, после нанесения на подложку и последующего отверждения, материал должен демонстрировать полупроводниковые свойства, то есть избирательно проводить электрический ток.

Ученые Московского физико-технического института (МФТИ) совместно со своими коллегами добились значительного прогресса в этой области, разработав инновационные «чернила» на основе сложного оксида индия, галлия и цинка (IGZO).  Выбор IGZO обусловлен его превосходными полупроводниковыми характеристиками,  включая высокую подвижность электронов и широкую запрещенную зону, что делает его идеальным материалом для транзисторов.  Однако,  прямое использование IGZO в 3D-печати  сопряжено с трудностями, связанными с необходимостью высоких температур для его синтеза.  Это приводит к высоким энергозатратам и усложнению технологического процесса.

Команда МФТИ нашла элегантное решение этой проблемы.  Используя глицерин в качестве растворителя и проводя синтез при относительно низкой температуре около 500 градусов Цельсия,  они смогли получить наночастицы IGZO размером не более 30 нанометров.  Применение глицерина обеспечивает необходимую вязкость и стабильность «чернил»,  позволяя получить высококачественное покрытие.  Снижение температуры синтеза – это критически важный момент, поскольку это значительно снижает энергопотребление и стоимость процесса, делая 3D-печать транзисторов более доступной и масштабируемой технологией.

Кроме того,  исследователи тщательно изучали различные параметры процесса печати, включая скорость нанесения,  температуру подложки,  и толщину слоя. Оптимизация этих параметров позволила получить транзисторы с высокой воспроизводимостью характеристик и стабильными электрическими свойствами.  Данное открытие имеет огромное значение для развития микроэлектроники,  открывая путь к созданию более компактных, энергоэффективных и доступных электронных устройств.  Дальнейшие исследования будут направлены на улучшение характеристик полученных «чернил»,  исследование возможности печати других типов транзисторов и интегральных схем, а также на разработку промышленных технологий, позволяющих перевести лабораторные достижения в массовое производство.  Это позволит значительно ускорить темпы развития электроники и приблизить создание новых поколений  высокотехнологичных гаджетов.