Учени установиха до каква степен още могат да се смаляват транзисторите

Изследователи от Корейския институт за напреднали науки и технологии (KAIST) представиха методика за изчисляване на квантовия предел на смаляване на размерите на транзисторите. От определен момент нататък квантовият тунелен ефект води до неконтролируемо нарастване на токовите загуби. Методиката дава количествена представа за начините за противодействие на тези процеси, за да могат производителите на чипове да се придвижват към най-малкия възможен транзистор не на сляпо, а съзнателно.

Методиката се основава на широко използваната в квантовата физика теория на функционала на плътността. Научната общност успешно я използва за моделиране на електронните структури на молекулите на материалите. При правилен подход теорията напълно подхожда за предварителна и доста точна оценка на границата на мащабиране на бъдещите полупроводникови устройства. Тази задача става особено важна на фона на прехода на индустрията към така наречените 2 nm технологични процеси, когато маркетинговото наименование на функционалния елемент вече не съвпада с реалните физически размери на транзисторните структури, а самите елементи все повече се доближават до квантово-механичните ограничения.

Основният проблем при миниатюризацията се състои в това, че при прекалено малки размери на елементите електроните започват да преминават през енергийни бариери, които според класическата физика би трябвало да ги спрат. Това явление е известно като квантово тунелиране. За транзистора това означава увеличаване на паразитните токове на утечка и влошаване на управлението на тока. Експерименталното определяне на тези граници е изключително трудно: зоната на контакт между металния електрод и полупроводниковия канал има атомно незначителни размери, а нейната геометрия и електронна структура са трудни за контролиране с достатъчна точност.

Като модел за доказване на ефективността на своята методика изследователите са използвали еднослоен молибденов дисулфид MoS₂ – двуизмерен полупроводник, който се разглежда като един от кандидатите за основни материали за транзистори от следващото поколение. За MoS₂ са изчислени контакти с различни метали, включително скандий, сребро, злато и паладий. Изчисленията бяха проведени за два варианта на архитектурата: с горен контакт и с краен контакт.

Моделирането показа, че критичната дължина на тунелирането не е постоянна величина: тя зависи от изходната способност на метала (от това колко лесно електронът напуска метала) и от геометрията на контактната структура. С други думи, границата на миниатюризацията може да се измести чрез подбор на материала на електрода и начина на свързване на метала с двуизмерния канал. Tова е добра новина, която дава надежда за по-нататъшно намаляване на размерите на транзисторите.

Според изчисленията на KAIST, при оптимален избор на метал и структура на контакта критичната дължина на тунелиране може да бъде намалена до ниво под 4 nm – реални, а не маркетингови. За транзисторите от n-тип перспективна се оказа схемата с горен контакт с метали с ниска работа на изхода, а за тези от p-тип – краен контакт с метали с висока работа на изхода. Това не означава незабавно появяване на масови транзистори с такива размери, но дава на инженерите нов инструмент за проектиране: вместо скъпоструващо изпитване на експериментални образци, вече е възможно предварително да се оценяват контактното съпротивление, режимът на тунелния ток и пределната мащабируемост на 2D-транзисторите на атомно ниво.