TSMC и NYCU создали рабочий 2D-транзистор на дисульфиде молибдена с атомарно точным затвором

Инженеры TSMC в сотрудничестве с Национальным университетом Ян Мин Цзяо Тун (NYCU) продемонстрировали принципиально новый подход к изготовлению транзисторов на основе однослойного дисульфида молибдена (MoS₂). Результаты исследования, опубликованные в журнале Nature Electronics, решают главную проблему двумерной электроники — формирование качественного затворного диэлектрика на атомарно тонком канале без деградации его электронных свойств.

Физические пределы кремния и ставка на 2D-материалы

По мере приближения кремниевых технологий к барьеру в 1 нм классические FinFET- и GAAFET-структуры сталкиваются с неразрешимыми проблемами: при длине канала 3–5 нм падает эффективность управления током, а при толщине менее 3 нм растёт сопротивление. Утечки тока и тепловыделение делают дальнейшее масштабирование экономически и физически нецелесообразным.

Монослойный MoS₂ толщиной около 0,7 нм рассматривается как один из главных кандидатов на замену кремния. Двумерный полупроводник сохраняет свои свойства в атомарном масштабе, обеспечивает превосходный электростатический контроль и позволяет создавать каналы длиной менее 3 нм, что открывает путь к дальнейшему росту плотности транзисторов.

Проблема интерфейса: почему ALD не работает на MoS₂

Главным препятствием оставалась невозможность нанести качественный изолятор затвора. Поверхность однослойного кристалла практически лишена свободных химических связей, поэтому стандартное послойное атомное осаждение (ALD) формирует на ней неравномерные, дефектные плёнки. Применение диэлектриков с высокой диэлектрической проницаемостью (high-k), таких как оксид гафния (HfO₂), усиливает рассеяние электронов и резко снижает их подвижность в канале. Долгое время исследователи искали компромисс между качеством диэлектрика и сохранением подвижности, но все решения вели к ухудшению характеристик.

Решение: эпитаксиальный буфер из оксида алюминия

Команда TSMC и NYCU сменила парадигм: вместо поиска новых материалов они сосредоточились на инженерии пограничного слоя. В условиях сверхвысокого вакуума на поверхность MoS₂ электронно-лучевым испарением наносили ультратонкий слой алюминия толщиной примерно 0,3 нм. Благодаря ван-дер-ваальсовой природе поверхности двумерного материала алюминий рос с предпочтительной кристаллографической ориентацией Al(111). После контролируемого окисления получался исключительно тонкий и однородный слой оксида алюминия (Al₂O₃) толщиной около 0,42 нм. Уже поверх этого буфера без дефектов осаждали основной high-k диэлектрик — HfO₂ методом ALD.

Результаты: эквивалентная толщина оксида ~1 нм при сохранении подвижности

Использование атомарно тонкого эпитаксиального буфера одновременно решило две задачи: обеспечило качественную поверхность для роста затвора и экранировало канал от неблагоприятного взаимодействия с HfO₂. В изготовленных транзисторах с короткими каналами ученым удалось достичь эквивалентной толщины затворного диэлектрика около 1 нм, не жертвуя высокой подвижностью носителей заряда. Устройства продемонстрировали сверхнизкие токи утечки и превосходную стабильность работы даже при экстремально малых размерах.

Значение для отрасли и перспективы

Работа демонстрирует технологический принцип, а не готовую замену кремниевым CMOS. Однако устранён один из ключевых барьеров двумерной электроники — создание сверхтонкого затвора без деградации атомарного канала. Созданный интерфейс перестаёт быть простой механической прокладкой и становится активной частью транзистора, определяющей его характеристики.

По словам авторов, технология опирается на методы химического осаждения из газовой фазы (CVD), пригодные для масштабирования на полноразмерные полупроводниковые пластины, и легко интегрируется с существующими производственными процессами. Это делает перспективу коммерческого применения 2D-транзисторов в технологиях ниже 1 нм существенно более реалистичной.