<1 нм: новый метод создания ультраминиатюрных транзисторов

Исследовательская группа под руководством профессора Джо Мун-Хо, директора Центра квантовых твердых тел Ван дер Ваальса при Институте фундаментальных наук ( IBS ), совершила значительный прорыв в области нанотехнологий. Ученые разработали инновационный метод эпитаксиального роста одномерных металлических материалов с беспрецедентной шириной менее 1 нанометра.

Этот процесс был успешно применен для создания новой архитектуры логических схем на основе двумерных полупроводников. Ключевым достижением стало использование полученных одномерных металлов в качестве управляющего электрода в ультраминиатюрных транзисторах. Такой подход открывает новые возможности для дальнейшей миниатюризации электронных компонентов и повышения производительности интегральных схем.

Устройства, основанные на двумерных (2D) полупроводниках, обладающие превосходными свойствами даже при атомной толщине, являются основным объектом исследований по всему миру. Однако разработка таких ультраминиатюрных транзисторов, способных контролировать движение электронов на расстоянии в несколько нанометров, сопряжена с значительными техническими трудностями.

Степень интеграции полупроводниковых устройств определяется шириной и эффективностью управления управляющего электрода, контролирующего поток электронов в транзисторе. В традиционных процессах изготовления полупроводников уменьшение длины управляющего электрода до нескольких нанометров невозможно из-за ограничений разрешающей способности литографии.

Для решения сложной технической задачи исследовательская группа использовала уникальное свойство границы зеркального двойника (mirror twin boundary, MTB ) дисульфида молибдена (MoS₂). Эта граница в двумерном полупроводнике MoS₂ представляет собой одномерный металл шириной всего 0,4 нанометра. Исследователи применили это свойство для создания сверхтонкого затворного электрода, что позволило преодолеть ограничения традиционных литографических процессов.

В ходе исследования ученым удалось получить одномерную металлическую фазу MTB путем прецизионного управления кристаллической структурой существующего двумерного полупроводника на атомном уровне. Этот процесс трансформировал материал, создав одномерную границу зеркального двойника. Данное достижение представляет собой значительный прорыв как для развития полупроводниковых технологий следующего поколения, так и для фундаментального материаловедения. Оно демонстрирует возможность синтеза новых фаз материалов на больших площадях посредством искусственного управления их кристаллическими структурами, открывая новые горизонты для создания материалов с заданными свойствами.

Согласно Международной дорожной карте для устройств и систем (International Roadmap for Devices and Systems, IRDS ) от IEEE, к 2037 году ожидается, что технологии полупроводников достигнут узлов около 0,5 нм с длиной управляющего электрода в 12 нм. Исследовательская группа продемонстрировала, что ширина канала, управляемая электрическим полем от одноразмерного MTB-электрода, может составлять всего 3,9 нм, что значительно превосходит прогнозы.

Разработанный командой транзистор на основе MTB также имеет преимущества в производительности схем. Технологии, такие как FinFET или Gate-All-Around , используемые для миниатюризации кремниевых полупроводниковых устройств, страдают от паразитной емкости из-за сложной структуры устройств, что приводит к нестабильности в высокоинтегрированных схемах. В отличие от них, транзистор на основе MTB минимизирует паразитную емкость благодаря своей простой структуре и крайне узкой ширине управляющего электрода.

Одноразмерная металлическая фаза, достигнутая посредством эпитаксиального роста, представляет собой новый процесс, который может применяться в ультраминиатюрных полупроводниковых процессах и, как ожидается, станет ключевой технологией для разработки различных низкопотребляющих, высокопроизводительных электронных устройств в будущем.