0,42 нанометра: TSMC показала транзистор, который тоньше молекулы

Инженеры TSMC вместе с академическими группами собрали полевой транзистор, в котором ключевая прослойка между каналом и затвором имеет толщину 0,42 нанометра. Это примерно полтора атомных слоя оксида алюминия. Работа опубликована в Nature Electronics.

Цифра 0,42 нм легко путается с названием техпроцесса, поэтому уточню сразу: речь о толщине межслойного диэлектрика внутри структуры, и это не маркетинговое обозначение узла. Зато именно эта прослойка снимает проблему, из-за которой двумерные транзисторы до сих пор проигрывали кремнию.

Канал транзистора сделан из монослоя дисульфида молибдена (MoS2) толщиной около 0,7 нм: один слой атомов молибдена, зажатый между двумя слоями серы. Кремний на такой толщине перестаёт вести себя как нормальный полупроводник: подвижность носителей падает, утечки растут. MoS2 сохраняет рабочие свойства даже в один атомный слой, поэтому его давно держат в списке кандидатов на замену кремнию в самых мелких узлах.

Где ломалась физика

Чтобы затвор жёстко управлял током в канале, подзатворный диэлектрик делают всё тоньше и берут материалы с высокой диэлектрической проницаемостью, чаще всего оксид гафния (HfO2). Но чем ближе HfO2 подходит к каналу, тем сильнее заряды и дефекты в диэлектрике рассеивают электроны. Электростатический контроль улучшается, крутизна при этом съезжает. Этот размен и держал потолок для двумерных транзисторов.

Что придумали в TSMC

Между MoS2 и оксидом гафния вырастили эпитаксиальный слой оксида алюминия (Al2O3) толщиной всего 0,42 нм. Эпитаксиальный здесь значит выращенный упорядоченно, с согласованием кристаллической решётки, без хаотичного напыления. Такая прослойка отодвигает источники рассеяния от канала и при этом почти не добавляет эквивалентной толщины оксида.

Итог: крутизна 0,45 мС/мкм при эквивалентной толщине оксида около 1 нм. Для монослойных MoS2 транзисторов это очень высокая цифра, обычно за тонкий диэлектрик приходится расплачиваться просевшим током.

Почему это важно

Кремниевое масштабирование упирается в физику уже несколько поколений подряд, а названия узлов вроде 3 нм и 2 нм давно перестали описывать реальные размеры транзистора. Двумерные материалы остаются одним из немногих запасных путей, и аргумент против них всегда звучал одинаково: красиво в лаборатории, слабо по характеристикам. Работа TSMC бьёт ровно по этому аргументу, причём силами компании, которая реально ставит технологии на конвейер.

При этом до массового производства отсюда далеко. Нужно научиться растить бездефектные монослои MoS2 на 300-мм пластинах, получить приличные омические контакты (сопротивление контактов остаётся больным местом двумерной электроники) и обеспечить повторяемость на десятках миллиардов транзисторов в одном чипе. Ни одна из этих задач пока не закрыта. Но сам факт, что интерфейс толщиной в пару атомов снимает ключевой компромисс, меняет оценки того, насколько далеко вообще можно уйти за кремний.

Источники

Исследование опубликовано в Nature Electronics: High-transconductance molybdenum disulfide top-gate transistors using epitaxial interface engineering.