Учёные открыли способ «выращивания» транзисторов субнанометрового размера

Интегрированные устройства на основе двумерных (2D) полупроводников, которые демонстрируют превосходные свойства даже при предельной толщине материала вплоть до атомного масштаба, являются одним из основных направлений фундаментальных и прикладных исследований во всём мире. Однако реализация таких ультраминиатюрных транзисторных устройств, способных управлять движением электронов в пределах нескольких нанометров, не говоря уже о разработке процесса производства этих интегральных схем, сопряжена со значительными техническими трудностями.

Степень интеграции в полупроводниковых приборах определяется шириной и эффективностью управления электродом затвора, который контролирует поток электронов в транзисторе. В традиционных процессах изготовления полупроводников уменьшение длины затвора ниже нескольких нанометров невозможно из-за ограничений разрешения литографии. Чтобы решить эту техническую проблему, исследовательская группа использовала тот факт, что зеркальная двойная граница (mirror twin boundary, MTB) дисульфида молибдена (MoS₂), двумерного полупроводника, представляет собой одномерный металл шириной всего 0,4 нм. Они использовали его в качестве электрода затвора, чтобы преодолеть ограничения процесса литографии.

В этом исследовании металлическая фаза 1D MTB была получена путём управления кристаллической структурой существующего 2D-полупроводника на атомном уровне, превращая его в 1D MTB. Это значительный прорыв не только для полупроводниковых технологий нового поколения, но и для фундаментального материаловедения, поскольку демонстрирует возможность синтеза новых материальных фаз на больших площадях путём искусственного управления кристаллическими структурами.

Согласно Международной дорожной карте устройств и систем (IRDS), разработанной IEEE, к 2037 году технология полупроводниковых узлов достигнет примерно 0,5 нм, а длина затвора транзистора составит 12 нм. Исследовательская группа продемонстрировала, что ширина канала, модулируемая электрическим полем, приложенным к затвору 1D MTB, может составлять всего 3,9 нм, что значительно превосходит футуристический прогноз.

Транзистор на основе 1D MTB, разработанный исследовательской группой, также имеет преимущества в производительности схемы. Такие технологии, как FinFET или Gate-All-Around, применяемые для миниатюризации кремниевых полупроводниковых приборов, страдают от паразитной ёмкости из-за сложной структуры устройств, что приводит к нестабильности в высокоинтегрированных схемах. Напротив, транзистор на основе 1D MTB может минимизировать паразитную ёмкость благодаря своей простой структуре и чрезвычайно малой ширине затвора.

Директор JO Moon-Ho прокомментировал: "Металлическая фаза 1D, полученная путём эпитаксиального роста, — это новый материальный процесс, который может быть применён в ультраминиатюрных полупроводниковых процессах. Ожидается, что в будущем он станет ключевой технологией для разработки различных электронных устройств с низким энергопотреблением и высокой производительностью".