Специалисты из Корейского передового института науки и технологий (KAIST) обнародовали способ вычисления квантового порога миниатюризации транзисторов. Начиная с определённого этапа, квантовый эффект туннелирования вызывает неконтролируемое увеличение токов утечки. Разработанный метод предоставляет количественные данные о способах борьбы с этими явлениями, позволяя производителям чипов двигаться к минимально возможному транзистору не вслепую, а с полным пониманием процессов.
Источник изображения: ИИ-генерация ChatGPT/3DNews
В основе методики лежит теория функционала плотности, которая активно применяется в квантовой физике. Научное сообщество успешно использует её для моделирования электронных конфигураций молекул различных материалов. При корректном применении эта теория полностью подходит для предварительной и достаточно точной оценки границ масштабирования будущих полупроводниковых устройств. Данная задача приобретает особую актуальность в связи с переходом индустрии на так называемые 2-нм технологические процессы, когда маркетинговое обозначение функционального элемента перестаёт соответствовать реальным физическим размерам транзисторных структур, а сами компоненты всё сильнее приближаются к квантово-механическим ограничениям.
Ключевая сложность миниатюризации заключается в том, что при чрезмерно малых размерах элементов электроны начинают преодолевать энергетические барьеры, которые в классической физике должны были бы их блокировать. Данное явление получило название квантового туннелирования. Для транзистора это означает рост нежелательных токов утечки и снижение эффективности управления током между истоком и стоком. Экспериментально выявить такие пределы чрезвычайно трудно: область соприкосновения металлического электрода с полупроводниковым каналом имеет атомарно малые размеры, а её геометрию и электронную структуру сложно контролировать с необходимой точностью.
Для подтверждения работоспособности своей методики исследователи выбрали в качестве модели однослойный дисульфид молибдена MoS2 — двумерный полупроводник, который рассматривается как один из перспективных материалов для транзисторов нового поколения. Для MoS2 были проведены расчёты контактов с различными металлами, такими как скандий, серебро, золото и палладий. Вычисления выполнялись для двух типов архитектуры: с контактом сверху и с контактом по краю.
В ходе моделирования было установлено, что критическая длина туннелирования не является фиксированной величиной: она определяется работой выхода металла (то есть тем, насколько легко электроны покидают его поверхность) и конфигурацией контактной структуры. Другими словами, границу миниатюризации можно смещать, выбирая подходящий материал электрода и способ соединения металла с двумерным каналом. Это обнадёживающий результат, который вселяет оптимизм относительно дальнейшего уменьшения транзисторов.
Согласно расчётам KAIST, при оптимальном подборе металла и конструкции контакта критическую длину туннелирования удаётся сократить до уровня менее 4 нм — реальных, а не маркетинговых. Для транзисторов n-типа наиболее многообещающей оказалась схема верхнего контакта с металлами, обладающими малой работой выхода, а для p-типа — краевой контакт с металлами с высокой работой выхода. Это не означает, что массовые транзисторы таких размеров появятся немедленно, однако инженеры получают новый инструмент для проектирования: вместо дорогостоящего перебора опытных образцов теперь можно заранее оценивать контактное сопротивление, уровень туннельных утечек и предельную масштабируемость 2D-транзисторов на атомном уровне.
