Вчені з'ясували, наскільки ще можна зменшувати транзистори

Дослідники з Корейського передового інституту науки і технологій (KAIST) представили методику розрахунку квантового межі зменшення транзисторів. З певного моменту квантовий ефект тунелювання призводить до неконтрольованого зростання витоків струму. Методика надає кількісне уявлення про способи протидії цим процесам, щоб виробники чіпів рухалися до найменшого можливого транзистора не наосліп, а свідомо.

Джерело зображення: ШІ-генерація ChatGPT/3DNews

Методика базується на широко використовуваній у квантовій фізиці теорії функціонала густини. Науковий світ успішно використовує її для моделювання електронних структур молекул матеріалів. При правильному підході теорія повністю підходить для попередньої і досить точної оцінки межі масштабування майбутніх напівпровідникових пристроїв. Це завдання стає особливо важливим на фоні переходу індустрії до так званих 2-нм технологічних процесів, коли маркетингова назва функціонального елемента вже не збігається з реальними фізичними розмірами транзисторних структур, а самі елементи все ближче підходять до квантово-механічних обмежень.

Головна проблема мініатюризації полягає в тому, що при занадто малих розмірах елементів електрони починають проходити через енергетичні бар'єри, які в класичній фізиці повинні були б їх зупиняти. Це явище відоме як квантове тунелювання. Для транзистора це означає зростання паразитних струмів витоку і погіршення управління струмом між витоком і стоком. Експериментально нащупати такі межі вкрай складно: область контакту між металевим електродом і напівпровідниковим каналом має атомарно незначні розміри, а її геометрію та електронну структуру важко контролювати з достатньою точністю.

В якості моделі для підтвердження роботи своєї методики дослідники використали одношаровий дисульфід молібдену MoS₂ — двомірний напівпровідник, який розглядається як один з кандидатів у базові матеріали для транзисторів наступного покоління. Для MoS₂ були розраховані контакти з різними металами, включаючи скандій, срібло, золото і паладій. Розрахунки проводилися для двох варіантів архітектури: з верхнім контактом і з краєвим контактом.

Моделювання показало, що критична довжина тунелювання не є сталою величиною: вона залежить від роботи виходу металу (того, наскільки легко електрон покидає метал) і геометрії контактної структури. Іншими словами, межу мініатюризації можна зсувати підбором матеріалу електрода і способом з'єднання металу з двомірним каналом. І це хороша новина, яка дає надію на подальше зменшення розмірів транзисторів.

За розрахунками KAIST, при оптимальному виборі металу і структури контакту критичну довжину тунелювання можна знизити до рівня менше 4 нм — справжніх, а не маркетингових. Для транзисторів n-типу перспективною виявилася схема верхнього контакту з металами з малою роботою виходу, а для p-типу — краєвий контакт з металами з високою роботою виходу. Це не означає негайного появи масових транзисторів з такими розмірами, але дає інженерам новий інструмент проектування: замість дорогого перебору експериментальних зразків можна заздалегідь оцінювати контактний опір, режим тунельного витоку і граничну масштабованість 2D-транзисторів на атомному рівні.

Хочеш дізнатися більше — читай відгуки