У умовах стрімкого виснаження фізичних можливостей кремнієвої електроніки, індустрія напівпровідників шукає альтернативи для продовження закону Мура. 9 серпня 2026 року стало відомо про фундаментальний прорив, досягнутий дослідниками Національного університету Ян Мін Чжао Тунг (Тайвань) у співпраці з інженерами TSMC. Команда розробила принципово новий метод виготовлення транзисторів на основі двовимірного матеріалу — дисульфіду молібдену (MoS₂), який дозволяє подолати ключові бар'єри в управлінні струмом і наблизити технологію до масового виробництва мікросхем.
Проблема інтерфейсу: чому 2D-матеріали не працюють із звичайними ізоляторами
Довгий час однією з головних проблем транзисторів на основі MoS₂ залишалося нанесення на них ізолятора затвора. Поверхня умовно двовимірного кристала практично не має вільних хімічних зв'язків, що робить стандартні промислові методи, такі як послойне атомне осадження (ALD), неефективними. На такій поверхні погано формуються суцільні надтонкі плівки, необхідні для роботи транзистора.
Крім того, використання діелектриків з високою діелектричною проникністю (high-k), таких як діоксид гафнію (HfO₂), який критично важливий для мініатюризації, посилює розсіювання електронів. Це призводить до різкого зниження їхньої рухливості. Інженерам доводилося шукати компроміс між рухливістю носіїв і керованістю каналу, що неминуче вело до погіршення характеристик і зростання рівня браку.
Рішення: епітаксіальна інженерія та атомний буфер
Вчені вирішили проблему, змістивши фокус із пошуку нових матеріалів на вдосконалення методів їхнього з'єднання. По суті, вони створили між напівпровідником MoS₂ та основним затворним діелектриком атомарно тонкий буферний шар. У умовах надвисокого вакууму на поверхню MoS₂ методом електронно-променевого випаровування наносився шар алюмінію товщиною близько 0,3 нм.
Завдяки ван-дер-ваальсовій природі поверхні двовимірного матеріалу, алюміній ріс із потрібною переважною кристалографічною орієнтацією Al(111). Після цього шар контролювано окислювали, перетворюючи на надзвичайно тонкий і однорідний шар оксиду алюмінію (Al₂O₃). Саме цей шар став ключем до успіху: він забезпечив ідеальну поверхню для подальшого нанесення high-k діелектрика HfO₂ методом ALD і одночасно екранував канал від несприятливого взаємодії з гафнієм.
Результати: рекордна крутизна та мініатюризація
У виготовлених транзисторах із короткими каналами дослідникам вдалося зменшити еквівалентну товщину затворного діелектрика до приблизно 1 нм, при цьому не втративши високу рухливість носіїв заряду. Саме поєднання цих двох характеристик забезпечило вражаючу крутизну (transconductance) електронного приладу.
Це досягнення критично важливе для подальшого зменшення розмірів логічних елементів. Одношаровий MoS₂ має товщину порядку 0,7 нм, що дозволяє йому значно краще за кремній чинити опір ефектам у коротких каналах при сильному масштабуванні. Робота демонструє, що один із ключових бар'єрів двовимірної електроніки — створення надтонкого затвора без деградації атомарного каналу — можна подолати за рахунок інженерії інтерфейсу.
Значення для індустрії: від лабораторного експерименту до виробництва
Хоча робота поки що демонструє технологічний принцип, а не готову заміну кремнієвим CMOS-процесам, вона відкриває шлях до нового покоління чіпів. Створений інтерфейс перестає бути просто механічною прокладкою і стає найважливішою функціональною частиною транзистора. У контексті поточних розробок TSMC над техпроцесами нижче 2 нм, такі технології можуть стати основою для наступного покоління AI-чіпів та високопродуктивних обчислень.
