Zespół badawczy pod kierownictwem dyrektora JO Moon-Ho z Centrum Ciał Stałych Van der Waalsa przy Instytucie Nauk Podstawowych (IBS) wdrożył nową metodę osiągania wzrostu epitaksjalnego jednowymiarowych materiałów metalicznych o szerokości mniejszej niż 1 nm. Grupa zastosowała ten proces do opracowania nowej struktury dla dwuwymiarowych (2D) układów logicznych półprzewodników. W szczególności wykorzystali jednowymiarowe metale jako elektrodę bramkową ultra-miniaturowego tranzystora.

Zintegrowane urządzenia oparte na dwuwymiarowych (2D) półprzewodnikach, które wykazują doskonałe właściwości nawet przy ostatecznej granicy grubości do poziomu atomowego, są głównym obszarem badań podstawowych i stosowanych na całym świecie. Jednak realizacja takich ultra-miniaturowych urządzeń tranzystorowych, które mogą kontrolować ruch elektronów w ciągu kilku nanometrów, nie mówiąc już o opracowaniu procesu produkcyjnego dla tych zintegrowanych obwodów, napotyka na znaczne wyzwania techniczne.

Stopień integracji w urządzeniach półprzewodnikowych zależy od szerokości i wydajności kontroli elektrody bramkowej, która kontroluje przepływ elektronów w tranzystorze. W konwencjonalnych procesach produkcji półprzewodników zmniejszenie długości bramki poniżej kilku nanometrów jest niemożliwe ze względu na ograniczenia rozdzielczości litografii. Aby rozwiązać ten problem techniczny, zespół badawczy wykorzystał fakt, że bliźniacza granica lustrzana (MTB) disiarczku molibdenu (MoS₂), półprzewodnika 2D, jest jednowymiarowym metalem o szerokości zaledwie 0,4 nm. Użyli tego jako elektrody bramkowej, aby przezwyciężyć ograniczenia procesu litograficznego.

W tym badaniu fazę metaliczną 1D MTB osiągnięto poprzez kontrolę struktury krystalicznej istniejącego półprzewodnika 2D na poziomie atomowym, przekształcając go w 1D MTB. To stanowi znaczący przełom nie tylko dla technologii półprzewodnikowej nowej generacji, ale także dla podstawowej nauki o materiałach, ponieważ demonstruje syntezę nowych faz materiałów poprzez sztuczną kontrolę struktur krystalicznych.

Międzynarodowa mapa drogowa dla urządzeń i systemów (IRDS) opracowana przez IEEE przewiduje, że technologia węzłów półprzewodnikowych osiągnie około 0,5 nm do 2037 roku, z długościami bramki tranzystorów wynoszącymi 12 nm. Zespół badawczy wykazał, że szerokość kanału modulowana polem elektrycznym stosowanym z elektrody bramkowej 1D MTB może być mniejsza niż 3,9 nm, co znacznie przekracza futurystyczne przewidywania.

Tranzystor oparty na 1D MTB opracowany przez zespół badawczy oferuje również zalety w zakresie wydajności obwodu. Technologie takie jak FinFET lub Gate-All-Around, stosowane do miniaturyzacji urządzeń półprzewodnikowych z krzemu, cierpią na pojemność pasożytniczą z powodu złożonej struktury urządzeń, co prowadzi do niestabilności w wysoko zintegrowanych obwodach. W przeciwieństwie do tego, tranzystor oparty na 1D MTB może zminimalizować pojemność pasożytniczą dzięki swojej prostej strukturze i wyjątkowo wąskiej szerokości bramki.

Dyrektor JO Moon-Ho skomentował: "Jednowymiarowa faza metaliczna osiągnięta poprzez wzrost epitaksjalny jest nowym procesem materiałowym, który można zastosować w ultra-miniaturowych procesach półprzewodnikowych. Oczekuje się, że stanie się kluczową technologią w rozwoju różnych energooszczędnych, wysokowydajnych urządzeń elektronicznych w przyszłości."

To badanie zostało opublikowane 3 lipca w czasopiśmie Nature Nanotechnology.

Źródło: Institute for Basic Science, Korea