В октябре 1925 года австро-венгерский физик Юлиус Лилиенфельд подал патент на устройство, которое он назвал «Метод и аппарат для управления электрическими токами». Он так и не собрал рабочий прототип, ведь полупроводниковая технология того времени не позволяла…

Сто лет спустя, в мае 2026 года, группа исследователей из Иллинойса использовала заложенный в этом патенте принцип, чтобы при температуре ниже 200 °C создать монолитный трехмерный чип из чистого кремния. О том, как транзистор, забытый на девять десятилетий, вдруг оказался ключом к будущему — в статье.

3D-чипы уже здесь, но не совсем те…

Пока Huawei оптимизирует сигналы между слоями LogicFolding, вся индустрия медленно, но неизбежно движется вверх, не в смысле качества, а по физической геометрии. Транзисторы уже достигли размера в несколько десятков атомов, и делать их еще меньше запредельно дорого. TSMC вкладывает более 65 млрд долларов в заводы для выпуска 2-нм чипов, а каждая пластина на будущем 1,4-нм будет стоить больше 45 000 долларов. В какой-то момент экономика просто перестанет сходиться, и тогда «пузырь» лопнет…

Чтобы этого не произошло, индустрия стремится расти по вертикали, но идея эта не новая. Например, тот же ускоритель для ИИ и суперкомпьютеров AMD MI300 выглядит как слоеный пирог из трех уровней кремния. При его производстве использовалась 3D-сборка — готовые чиплеты, произведенные отдельно на разных техпроцессах, потом аккуратно укладывались друг на друга и соединялись металлическими столбиками.

Проблема в том, что и такой подход имеет потолок, ведь сложность совмещения соединений между слоями ограничивает количество связей. А точность выравнивания составляет микроны, а иногда и десятки микронов. Это хорошо для соединения чиплетов, но недостаточно для плотной интеграции транзисторов, где речь идет о нанометрах.

Монолитная мечта и термический барьер

Есть другой подход, который десятилетиями мечтали освоить инженеры — монолитная 3D-интеграция. В этом случае нужно не «склеивать» готовые чипы, а выращивать транзисторы прямо друг на друге. Но это тяжело…  

Традиционные транзисторы (MOSFET) изготавливаются при температурах около 1000 °C. Это нужно, чтобы атомы примесей встроились в кристаллическую решетку кремния и образовали границы между областями с разным типом проводимости. Эти p-n переходы лежат в основе работы любого современного транзистора.

Однако, когда собран первый слой транзисторов, повторить процесс при 1000 °C уже невозможно. Металлические проводки расплавятся, диэлектрики деградируют и вся предыдущая работа пойдет прахом. Индустрия называет это термальным бюджетом — максимальной температурой, которую можно допустить после создания нижних слоев. Обычно предел этой температуры составляет 400 °C.

Инженеры много лет пытались решить эту задачу с помощью разных материалов — углеродных нанотрубок, двумерных полупроводников и оксидов металлов. Но по производительности и надежности все это уступало обычному кремнию. И вот в мае 2026 года группа под руководством профессора Цин Цао из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн опубликовала в Nature статью, в которой они описали свой опыт построения трехслойного 3D-чипа из чистого кремния при температуре ниже 200 °C.

Транзисторы без границ

Цао и его команда отказались от традиционных транзисторов. Вместо них они использовали так называемые «бесконтактные», идея которых не нова. Еще в 1925 году физик Жюль Лилиенфельд запатентовал похожее устройство под названием Gated Resistor. По его подходу, исток, канал и сток предполагалось изготавливать из полупроводника одного типа проводимости — либо n-типа, либо p-типа. Между ними не создавались сложные p-n-переходы и не формировались границы между разными материалами, а управление током проходило исключительно электрическим полем. Когда на затвор шло напряжение, проводимость канала изменялась, и через устройство начинал течь ток. Когда напряжение убирали, устройство отключалось. 

Однако чтобы транзистор Лилиенфельда действительно управлялся электрическим полем без p-n-переходов, его канал должен быть чрезвычайно тонким — порядка нескольких нанометров — и при этом обладать практически идеальной однородностью. В 1925 году подобных технологий просто не существовало. 

По этой причине концепция Лилиенфельда была скорее любопытным теоретическим предложением, чем реальным инженерным решением. Лишь в 2010 году группа Жана-Пьера Колинжа из Tyndall National Institute в Ирландии смогла продемонстрировать первый работоспособный бесконтактный транзистор, подтвердив, что идея почти вековой давности действительно жизнеспособна. Но даже после этого технология оставалась экспериментом. 

Именно здесь свою роль сыграла работа Цао. Его команда разработала способ переносить бесконтактные транзисторы на уже готовые кремниевые чипы так, чтобы они сохраняли работоспособность и могли стать частью реальных электронных схем.

Хенджун Нам [слева] и Юнг Ман Ю в лаборатории Цин Цао в Иллинойсском университете в Урбане-Шампейне

Как наклеить кремний

Процесс, который придумала команда Цао, называется «рулонная печать» (англ. roll-transfer printing). Звучит как технология для упаковки продуктов, но по сути это способ переноса атомарно-тонких слоев кремния с одной подложки на другую.

Сначала на донорской пластине выращивается монокристаллический слой кремния толщиной 10 нанометров, что в 50–70 тыс. раз тоньше обычной кремниевой пластины. Этот слой равномерно легирован атомами фосфора или бора, в зависимости от того, нужен n-type или p-type. Затем его аккуратно отделяют от подложки и переносят на целевую пластину, где уже находятся готовые транзисторы нижнего слоя.

Ультратонкие монокристаллические кремниевые наномембраны, перенесенные на восьмидюймовую (диаметром 200 мм) подложку из SiO2/Si

Для переноса нужна температура ниже 200 °C, а сам процесс похож на наклеивание защитной пленки на экран смартфона. Только пленка состоит из одного атомарного слоя кремния, а выравнивание происходит с точностью до 10 нанометров.

Важно, что для изготовления таких чипов используется обычный кремний. Как сказал сам Цао в интервью IEEE Spectrum, «люди годами предполагали, что монолитная 3D-интеграция потребует экзотических новых материалов. Доказав, что кремний справляется, мы показали, что эта технология подключается напрямую к существующим производственным экосистемам».

Три этажа из кремния

На 75-миллиметровой пластине команда Цао собрала три уровня бесконтактных транзисторов. На каждом уровне были расположены 625 транзисторов на площади 1 600 квадратных миллиметров. Нижний слой — n-type кремний, верхний — p-type. Между слоями разместили диэлектрик толщиной около 90 нм.

Каждый слой нового трехмерного чипа содержит так называемые беспереходные транзисторы. Нижний слой изготовлен из кремния с избытком подвижных электронов, верхний — из кремния с избытком дырок. Транзисторы соединены между собой вертикально, образуя комплементарную логику

Из этих транзисторов инженеры построили логические инверторы, NAND, NOR и ячейки SRAM. Вертикальные соединения между слоями выровнены с точностью до 10 нм. Для сравнения, традиционные TSV в коммерческих 3D-чипах имеют диаметр в несколько микрон — в сотни раз толще.

Шеститранзисторная ячейка SRAM, распределенная по трем слоям, заняла в три раза меньше площади, чем ее двумерный аналог. А плотность тока бесконтактных транзисторов превысила 650 мА на микрометр — сопоставимо с коммерческими кремниевыми MOSFET предыдущих поколений. 

Два пути вверх

Интересно, что Цао и Huawei решают одну проблему — как увеличить плотность транзисторов, когда горизонтальное сжатие заканчивается. Но пути у них разные разные:

  • Huawei использует LogicFolding, архитектурный подход, при котором логические элементы складываются вертикально, но на уровне проектирования схем. Это работает с существующими технологиями производства, не требует новых материалов, но требует новых EDA-инструментов и сложной инженерии теплоотвода.

  • Цао идет снизу, на уровне физики транзистора. Он не меняет архитектуру, он меняет сам транзистор и способ его изготовления. Бесконтактные транзисторы позволяют строить активные слои при низких температурах, что открывает путь к истинной монолитной 3D-интеграции — когда транзисторы растут друг на друге, а не склеиваются.

Оба подхода дополняют друг друга. Если технология масштабируется, то откроет практический путь к более плотным и энергоэффективным чипам с гораздо более короткими межсоединениями.

Где подвох

Как и у любой технологии на ранней стадии, у подхода Цао есть серьезные ограничения: 

  • Пластины, которые использовала команда, 75-миллиметровые. Современные фабрики работают с 300-миллиметровыми пластинами. Перенос мембран без трещин и складок на таком диаметре — инженерная задача совершенно другого порядка. 

  • Когда транзисторы расположены в один слой, один бракованный элемент можно обойти резервированием. Когда они сложены в три слоя, вероятность дефекта умножается. 

  • Три слоя транзисторов генерируют в три раза больше тепла на той же площади. Это классическая проблема 3D-чипов, и транзисторы ее не решают. 

Однако поддержку исследованию оказывают IBM, Intel и TSMC, то есть ключевые игроки индустрии смотрят в эту сторону. И если отбросить осторожность ученых, полупроводниковая индустрия нашла второй путь вверх через переосмысление самого транзистора. 

Делитесь в комментариях. Может ли кремний, который мы считали исчерпанным, снова стать материалом будущего?