Das Forschungsteam unter der Leitung von Direktor JO Moon-Ho vom Zentrum für Van-der-Waals-Quantenfeststoffe am Institut für Grundlagenforschung (IBS) hat eine neue Methode zur Erreichung des epitaktischen Wachstums von eindimensionalen metallischen Materialien mit einer Breite von weniger als 1 nm implementiert. Die Gruppe wandte dieses Verfahren an, um eine neue Struktur für zweidimensionale (2D) Halbleiterlogikkreise zu entwickeln. Insbesondere verwendeten sie eindimensionale Metalle als Bram-Elektrode eines ultraminiaturisierten Transistors.

Integrierte Geräte auf Basis von zweidimensionalen (2D) Halbleitern, die hervorragende Eigenschaften selbst an der ultimativen Dickengrenze bis hin zur atomaren Ebene zeigen, sind weltweit ein wichtiger Schwerpunkt der Grundlagen- und Anwendungsforschung. Die Realisierung solcher ultraminiaturisierten Transistorgeräte, die die Bewegung von Elektronen innerhalb weniger Nanometer steuern können, geschweige denn die Entwicklung eines Herstellungsprozesses für diese integrierten Schaltungen, steht jedoch vor erheblichen technischen Herausforderungen.

Der Integrationsgrad in Halbleitergeräten wird durch die Breite und Steuerungsleistung der Bram-Elektrode bestimmt, die den Elektronenfluss im Transistor steuert. In herkömmlichen Halbleiterherstellungsverfahren ist die Reduzierung der Bram-Länge unter einige Nanometer aufgrund von Auflösungsbeschränkungen der Lithographie unmöglich. Um dieses technische Problem zu lösen, nutzte das Forschungsteam die Tatsache, dass die Spiegelzwillingsgrenze (MTB) von Molybdändisulfid (MoS₂), einem 2D-Halbleiter, ein eindimensionales Metall mit einer Breite von nur 0,4 nm ist. Sie verwendeten dies als Bram-Elektrode, um die Beschränkungen des Lithographieprozesses zu überwinden.

In dieser Studie wurde die metallische Phase des 1D-MTB durch Kontrolle der Kristallstruktur des vorhandenen 2D-Halbleiters auf atomarer Ebene erreicht und in 1D-MTB umgewandelt. Dies stellt einen bedeutenden Durchbruch nicht nur für die Halbleitertechnologie der nächsten Generation dar, sondern auch für die grundlegende Materialwissenschaft, da es die Synthese neuer Materialphasen durch künstliche Kontrolle von Kristallstrukturen demonstriert.

Die Internationale Roadmap für Geräte und Systeme (IRDS) des IEEE prognostiziert, dass die Technologie der Halbleiterknoten bis 2037 etwa 0,5 nm erreichen wird, mit Transistor-Bram-Längen von 12 nm. Das Forschungsteam zeigte, dass die Kanalbreite, die durch ein elektrisches Feld von der 1D-MTB-Bram-Elektrode moduliert wird, weniger als 3,9 nm betragen kann, was die futuristischen Vorhersagen erheblich übertrifft.

Der von dem Forschungsteam entwickelte 1D-MTB-basierte Transistor bietet auch Vorteile in der Schaltungsleistung. Technologien wie FinFET oder Gate-All-Around, die zur Miniaturisierung von Silizium-Halbleitergeräten verwendet werden, leiden unter parasitärer Kapazität aufgrund ihrer komplexen Gerätestrukturen, was zu Instabilität in hochintegrierten Schaltungen führt. Im Gegensatz dazu kann der 1D-MTB-basierte Transistor die parasitäre Kapazität aufgrund seiner einfachen Struktur und extrem schmalen Bram-Breite minimieren.

Direktor JO Moon-Ho kommentierte: "Die durch epitaktisches Wachstum erreichte 1D-Metallphase ist ein neuer Materialprozess, der auf ultraminiaturisierte Halbleiterprozesse angewendet werden kann. Es wird erwartet, dass dies in Zukunft zu einer Schlüsseltechnologie für die Entwicklung verschiedener energieeffizienter und leistungsstarker elektronischer Geräte wird."

Diese Forschung wurde am 3. Juli in der Zeitschrift Nature Nanotechnology veröffentlicht.

Quelle: Institute for Basic Science, Korea