<1 nm: Учени са усвоили метод за създаване на ултраминиатюрни транзистори без литография

Изследователски екип, ръководен от професор Джо Мун-Хо, директор на Центъра за квантови твърди вещества „Ван дер Ваалс“ към Института за фундаментални науки (IBS) направи значителен пробив в областта на нанотехнологиите.

Учените са разработили новаторски метод за епитаксиален растеж на едномерни метални материали с безпрецедентна широчина от по-малко от 1 нанометър.

Този процес е успешно приложен за създаване на нова архитектура на логическа схема, базирана на двуизмерни (2D) полупроводници. Ключово постижение е използването на получените едноизмерни метали като управляващ електрод в ултраминиатюрни транзистори. Този подход открива нови възможности за по-нататъшна миниатюризация на електронните компоненти и подобряване на производителността на интегралните схеми.

Устройствата, базирани на 2D полупроводници с отлични свойства дори при атомна дебелина са основен фокус на изследванията в световен мащаб. Разработването на такива свръхминиатюрни транзистори, способни да контролират движението на електрони на разстояния от няколко нанометра обаче представлява значително техническо предизвикателство.

Степента на интеграция на полупроводниковите устройства се определя от ширината и ефективността на управление на управляващия електрод, който контролира потока електрони в транзистора. При традиционните процеси за производство на полупроводници намаляването на дължината на управляващия електрод до няколко нанометра не е възможно поради ограниченията на литографската разделителна способност.

За да реши сложния технически проблем, изследователският екип използва уникалното свойство на огледалната двойна граница (mirror twin boundary (MTB) на молибденовия дисулфид (MoS2). Тази граница в двуизмерния полупроводник MoS2 представлява едноизмерен метал с ширина само 0,4 нанометра.

Изследователите са приложили това свойство за създаване на ултратънък електрод на гейта, който преодолява ограниченията на традиционните литографски процеси.

В изследването учените са успели да произведат едномерна метална фаза на MTB чрез прецизно контролиране на кристалната структура на съществуващ двумерен полупроводник на атомно ниво. Този процес трансформира материала, създавайки едноизмерна (1D) огледална двойна граница. Това постижение представлява значителен пробив както за разработването на полупроводникови технологии от следващо поколение, така и за фундаменталното материалознание. То демонстрира възможността за синтезиране на нови фази на материалите на големи площи чрез изкуствено контролиране на техните кристални структури, което открива нови хоризонти за създаване на материали с определени свойства.

Според Международната пътна карта за устройства и системи (IRDS ) на IEEE до 2037 г. се очаква полупроводниковите технологии да достигнат нива от около 0,5 nm с дължина на контролния електрод от 12 nm.

Изследователският екип демонстрира, че ширината на канала, управляван от електрическото поле на един-единствен по размер MTB електрод може да бъде 3,9 nm, което далеч надхвърля прогнозите.

Разработеният от екипа транзистор, базиран на MTB има предимства и по отношение на работата на веригата. Технологии като FinFET или Gate-All-Around, използвани за миниатюризиране на силициеви полупроводникови устройства страдат от паразитен капацитет поради сложните структури на устройствата, което води до нестабилност във високоинтегрираните схеми. За разлика от тях транзисторът, базиран на MTB свежда до минимум паразитния капацитет поради простата си структура и изключително малката ширина на контролните електроди.

Едноизмерната метална фаза, постигната чрез епитаксиален растеж е нов процес, който може да бъде приложен в процесите на ултраминиатюрните полупроводници и се очаква да бъде ключова технология за разработването на различни електронни устройства с ниска консумация и висока производителност в бъдеще.