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".
Обсудить