Исследовательская группа под руководством директора Центра квантовых твердых тел Ван-дер-Ваальса в Институте фундаментальных наук (IBS) Джо Мун-Хо реализовала новый метод эпитаксиального роста 1D металлических материалов шириной менее 1 нм. Группа применила этот процесс для разработки новой структуры для 2D полупроводниковых логических схем. В частности, они использовали 1D металлы в качестве затворного электрода сверхминиатюрного транзистора. Это исследование опубликовано в журнале Nature Nanotechnology .
Интегрированные устройства на основе двумерных (2D) полупроводников, которые демонстрируют превосходные свойства даже при предельной толщине материала вплоть до атомного масштаба, являются основным направлением фундаментальных и прикладных исследований во всем мире. Однако реализация таких сверхминиатюрных транзисторных устройств, которые могут контролировать движение электронов в пределах нескольких нанометров, не говоря уже о разработке процесса производства для этих интегральных схем, столкнулась со значительными техническими проблемами.
Степень интеграции в полупроводниковых приборах определяется шириной и эффективностью управления затворного электрода, который управляет потоком электронов в транзисторе. В обычных процессах изготовления полупроводников уменьшение длины затвора ниже нескольких нанометров невозможно из-за ограничений разрешения литографии.
Для решения этой технической проблемы исследовательская группа использовала тот факт, что граница зеркального двойника (MTB) дисульфида молибдена (MoS2), 2D-полупроводника, представляет собой 1D-металл шириной всего 0,4 нм. Они использовали это в качестве затворного электрода, чтобы преодолеть ограничения процесса литографии.
В этом исследовании металлическая фаза 1D MTB была получена путем управления кристаллической структурой существующего 2D полупроводника на атомном уровне, что трансформировало его в 1D MTB. Это представляет собой значительный прорыв не только для полупроводниковой технологии следующего поколения, но и для базового материаловедения, поскольку это демонстрирует синтез новых материальных фаз на большой площади посредством искусственного управления кристаллическими структурами.
Международная дорожная карта для устройств и систем (IRDS) IEEE предсказывает, что технология полупроводниковых узлов достигнет около 0,5 нм к 2037 году с длиной затвора транзистора 12 нм. Исследовательская группа продемонстрировала, что ширина канала, модулированная электрическим полем, приложенным от затвора 1D MTB, может быть всего 3,9 нм, что значительно превышает футуристический прогноз.
Разработанный исследовательской группой транзистор на основе 1D MTB также обеспечивает преимущества в производительности схемы. Такие технологии, как FinFET или Gate-All-Around, принятые для миниатюризации кремниевых полупроводниковых приборов, страдают от паразитной емкости из-за их сложной структуры устройства, что приводит к нестабильности в высокоинтегрированных схемах. Напротив, транзистор на основе 1D MTB может минимизировать паразитную емкость благодаря своей простой структуре и чрезвычайно узкой ширине затвора.
«Одномерная металлическая фаза, полученная путем эпитаксиального роста, — это новый материальный процесс, который может быть применен к сверхминиатюрным полупроводниковым процессам. Ожидается, что в будущем она станет ключевой технологией для разработки различных маломощных высокопроизводительных электронных устройств», - резюмировал Джо Мун-Хо.
