Istraživački tim pod vodstvom ravnatelja JO Moon-Hoa iz Centra za Van der Waals kvantne čvrste tvari pri Institutu za temeljne znanosti (IBS) implementirao je novu metodu za postizanje epitaksijalnog rasta 1D metalnih materijala širine manje od 1 nm. Grupa je primijenila ovaj postupak za razvoj nove strukture za 2D poluvodičke logičke krugove. Posebno su koristili 1D metale kao bramensku elektrodu ultra-miniaturiziranog tranzistora.

Integrirani uređaji temeljeni na dvodimenzionalnim (2D) poluvodičima, koji pokazuju izvrsna svojstva čak i na krajnjoj granici debljine materijala do atomske razine, glavni su fokus osnovnog i primijenjenog istraživanja širom svijeta. Međutim, realizacija takvih ultra-miniaturiziranih tranzistorskih uređaja koji mogu kontrolirati kretanje elektrona unutar nekoliko nanometara, a kamoli razvoj proizvodnog procesa za ove integrirane krugove, suočena je sa značajnim tehničkim izazovima.

Stupanj integracije u poluvodičkim uređajima određuje se širinom i učinkom kontrole bramenske elektrode, koja kontrolira protok elektrona u tranzistoru. U konvencionalnim procesima proizvodnje poluvodiča, smanjenje duljine bramena ispod nekoliko nanometara je nemoguće zbog ograničenja rezolucije litografije. Da bi riješio ovaj tehnički problem, istraživački tim iskoristio je činjenicu da je zrcalna dvostruka granica (MTB) molibden disulfida (MoS₂), 2D poluvodiča, 1D metal širine samo 0.4 nm. Upotrijebili su ovo kao bramensku elektrodu kako bi prevladali ograničenja litografskog procesa.

U ovoj studiji, 1D MTB metalna faza postignuta je kontrolom kristalne strukture postojećeg 2D poluvodiča na atomskoj razini, transformirajući ga u 1D MTB. Ovo predstavlja značajan proboj ne samo za tehnologiju poluvodiča sljedeće generacije, već i za temeljnu znanost o materijalima, jer demonstrira sintezu novih faza materijala kroz umjetnu kontrolu kristalnih struktura.

Međunarodna mapa puta za uređaje i sustave (IRDS) od strane IEEE-a predviđa da će tehnologija poluvodičkih čvorova doseći oko 0.5 nm do 2037. godine, s duljinama bramena tranzistora od 12 nm. Istraživački tim pokazao je da širina kanala modulirana električnim poljem primijenjenim iz 1D MTB bramena može biti manja od 3.9 nm, što značajno premašuje futuristička predviđanja.

Tranzistor temeljen na 1D MTB koji je razvio istraživački tim također nudi prednosti u izvedbi kruga. Tehnologije poput FinFET-a ili Gate-All-Around, koje se koriste za miniaturizaciju silicijskih poluvodičkih uređaja, pate od parazitske kapacitancije zbog svojih složenih struktura uređaja, što dovodi do nestabilnosti u visoko integriranim krugovima. Nasuprot tome, tranzistor temeljen na 1D MTB može minimizirati parazitsku kapacitanciju zbog svoje jednostavne strukture i izuzetno uske širine bramena.

Ravnatelj JO Moon-Ho komentirao je: "Metalna faza 1D postignuta epitaksijalnim rastom novi je materijalni proces koji se može primijeniti na ultra-miniaturizirane poluvodičke procese. Očekuje se da će postati ključna tehnologija za razvoj raznih niskoenergetskih, visokoučinkovitih elektroničkih uređaja u budućnosti."

Ovo istraživanje objavljeno je 3. srpnja u časopisu Nature Nanotechnology.

Izvor: Institute for Basic Science, Korea