Wetenschappers ontdekken manier om transistoren van subnanometerformaat te ‘kweken’

Een onderzoeksteam onder leiding van directeur Jo Moon-Ho van het Center for Van der Waals Quantum Solids binnen het Institute for Basic Science (IBS) heeft een nieuwe methode geïmplementeerd om epitaxiale groei van 1D-metalen materialen met een breedte van minder dan 1 nm te bereiken. De groep paste dit proces toe om een ​​nieuwe structuur te ontwikkelen voor 2D-halfgeleiderlogicacircuits. Ze gebruikten met name de 1D-metalen als gate-elektrode van de ultra-geminiaturiseerde transistor.

Dit onderzoek verschijnt in Natuur Nanotechnologie.

Geïntegreerde apparaten op basis van tweedimensionale (2D) halfgeleiders, die uitstekende eigenschappen vertonen, zelfs bij de ultieme limiet van materiaaldikte tot op atomaire schaal, zijn een belangrijk aandachtspunt van fundamenteel en toegepast onderzoek wereldwijd. Het realiseren van dergelijke ultra-geminiaturiseerde transistorapparaten die de elektronenbeweging binnen een paar nanometer kunnen regelen, laat staan ​​het ontwikkelen van het productieproces voor deze geïntegreerde schakelingen, is echter geconfronteerd met aanzienlijke technische uitdagingen.

De mate van integratie in halfgeleiderapparaten wordt bepaald door de breedte en regelefficiëntie van de gate-elektrode, die de stroom van elektronen in de transistor regelt. In conventionele halfgeleiderfabricageprocessen is het onmogelijk om de gatelengte onder een paar nanometer te brengen vanwege de beperkingen van de lithografieresolutie.

Om dit technische probleem op te lossen, maakte het onderzoeksteam gebruik van het feit dat de spiegelende tweelinggrens (MTB) van molybdeendisulfide (MoS₂), een 2D-halfgeleider, is een 1D-metaal met een breedte van slechts 0,4 nm. Ze gebruikten dit als gate-elektrode om de beperkingen van het lithografieproces te overwinnen.

In deze studie werd de 1D MTB-metallische fase bereikt door de kristalstructuur van de bestaande 2D-halfgeleider op atomair niveau te controleren en deze te transformeren in een 1D MTB. Dit vertegenwoordigt een belangrijke doorbraak, niet alleen voor de volgende generatie halfgeleidertechnologie, maar ook voor fundamentele materiaalkunde, omdat het de grootschalige synthese van nieuwe materiaalfasen demonstreert door kunstmatige controle van kristalstructuren.

De International Roadmap for Devices and Systems (IRDS) van de IEEE voorspelt dat de technologie van halfgeleiderknooppunten tegen 2037 ongeveer 0,5 nm zal bereiken, met transistorpoortlengtes van 12 nm. Het onderzoeksteam toonde aan dat de kanaalbreedte die wordt gemoduleerd door het elektrische veld dat wordt toegepast vanaf de 1D MTB-poort, zo klein kan zijn als 3,9 nm, wat de futuristische voorspelling aanzienlijk overtreft.

De 1D MTB-gebaseerde transistor die door het onderzoeksteam is ontwikkeld, biedt ook voordelen in circuitprestaties. Technologieën zoals FinFET of Gate-All-Around, die zijn aangenomen voor de miniaturisatie van siliciumhalfgeleiderapparaten, lijden aan parasitaire capaciteit vanwege hun complexe apparaatstructuren, wat leidt tot instabiliteit in sterk geïntegreerde circuits. Daarentegen kan de 1D MTB-gebaseerde transistor parasitaire capaciteit minimaliseren vanwege zijn eenvoudige structuur en extreem smalle gatebreedte.

Directeur Jo Moon-Ho merkte op: “De 1D-metallische fase die wordt bereikt door epitaxiale groei is een nieuw materiaalproces dat kan worden toegepast op ultra-geminiaturiseerde halfgeleiderprocessen. Naar verwachting wordt het een belangrijke technologie voor de ontwikkeling van verschillende elektronische apparaten met een laag vermogen en hoge prestaties in de toekomst.”