В условиях стремительного истощения физических возможностей кремниевой электроники, индустрия полупроводников ищет альтернативы для продолжения закона Мура. 9 августа 2026 года стало известно о фундаментальном прорыве, достигнутом исследователями Национального университета Ян Мин Чжао Тунг (Taiwan) в сотрудничестве с инженерами TSMC. Команда разработала принципиально новый метод изготовления транзисторов на основе двумерного материала — дисульфида молибдена (MoS₂), который позволяет преодолеть ключевые барьеры в управлении током и приблизить технологию к массовому производству микросхем.
Проблема интерфейса: почему 2D-материалы не работают с обычными изоляторами
Долгое время одной из главных проблем транзисторов на основе MoS₂ оставалось нанесение на них изолятора затвора. Поверхность условно двумерного кристалла практически не имеет свободных химических связей, что делает стандартные промышленные методы, такие как послойное атомное осаждение (ALD), неэффективными. На такой поверхности плохо формируются сплошные сверхтонкие плёнки, необходимые для работы транзистора.
Кроме того, использование диэлектриков с высокой диэлектрической проницаемостью (high-k), таких как диоксид гафния (HfO₂), который критически важен для миниатюризации, усиливает рассеяние электронов. Это приводит к резкому снижению их подвижности. Инженерам приходилось искать компромисс между подвижностью носителей и управляемостью канала, что неизбежно вело к ухудшению характеристик и росту уровня брака.
Решение: эпитаксиальная инженерия и атомарный буфер
Учёные решили проблему, сместив фокус с поиска новых материалов на совершенствование методов их соединения. По сути, они создали между полупроводником MoS₂ и основным затворным диэлектриком атомарно тонкий буферный слой. В условиях сверхвысокого вакуума на поверхность MoS₂ методом электронно-лучевого испарения наносился слой алюминия толщиной около 0,3 нм.
Благодаря ван-дер-ваальсовой природе поверхности двумерного материала, алюминий рос с нужной преимущественно кристаллографической ориентацией Al(111). После этого слой контролируемо окисляли, превращая в чрезвычайно тонкий и однородный слой оксида алюминия (Al₂O₃). Именно этот слой стал ключом к успеху: он обеспечил идеальную поверхность для последующего нанесения high-k диэлектрика HfO₂ методом ALD и одновременно экранировал канал от неблагоприятного взаимодействия с гафнием.
Результаты: рекордная крутизна и миниатюризация
В изготовленных транзисторах с короткими каналами исследователям удалось уменьшить эквивалентную толщину затворного диэлектрика до примерно 1 нм, при этом не потеряв высокую подвижность носителей заряда. Именно сочетание этих двух характеристик обеспечило впечатляющую крутизну (transconductance) электронного прибора.
Это достижение критически важно для дальнейшего уменьшения размеров логических элементов. Однослойный MoS₂ имеет толщину порядка 0,7 нм, что позволяет ему значительно лучше кремния сопротивляться эффектам в коротких каналах при сильном масштабировании. Работа демонстрирует, что один из ключевых барьеров двумерной электроники — создание сверхтонкого затвора без деградации атомарного канала — можно преодолеть за счёт инженерии интерфейса.
Значение для индустрии: от лабораторного эксперимента к производству
Хотя работа пока демонстрирует технологический принцип, а не готовую замену кремниевым CMOS-процессам, она открывает путь к новому поколению чипов. Созданный интерфейс перестает быть просто механической прокладкой и становится важнейшей функциональной частью транзистора. В контексте текущих разработок TSMC над техпроцессами ниже 2 нм, такие технологии могут стать основой для следующего поколения AI-чипов и высокопроизводительных вычислений.
