По мере того как полупроводниковая промышленность вступает в так называемую эру 2-нанометровых технологий, физические размеры транзисторов остаются значительно больше 2 нанометров. Одним из самых серьезных препятствий на пути к дальнейшей миниатюризации является квантовое туннелирование — явление, при котором электроны проникают через барьеры, которые в обычных условиях их бы заблокировали, что затрудняет контроль за протеканием тока.
С помощью квантово-механических расчетов на атомном уровне исследователи определили пределы масштабирования транзисторов — крошечных переключателей, которые управляют потоком электричества в электронных устройствах. Полученные результаты могут помочь производителям микросхем продолжать уменьшать размер транзисторов, не выходя за рамки существующих технологических процессов, и сократить количество дорогостоящих проб и ошибок при разработке.
Понять, где проходит этот предел, было непросто, поскольку практически невозможно напрямую измерить взаимодействия на атомном уровне в местах соединения металлических контактов с полупроводниковыми каналами.
Чтобы решить эту проблему, команда KAIST использовала метод первопринципных вычислений — вычислительный подход, который позволяет предсказать поведение материала на основе законов физики, а не экспериментальных данных.
Опираясь на ранее разработанную концепцию, известную как теория функционала плотности с многопространственным ограниченным поиском (multi-space constrained-search density functional theory, MS-DFT), исследователи провели эксперименты с использованием метода виртуальной длины переноса — стандартной методики измерения контактного сопротивления между металлическими электродами и полупроводниковыми материалами.
Моделирование позволило команде изучить, как электроны перемещаются через границы раздела металл-полупроводник, и определить критическую длину туннелирования — точку, в которой утечка электронов начинает влиять на работу транзистора.
Исследователи применили этот метод к монослою дисульфида молибдена (MoS2) — двумерному полупроводнику, который считается перспективным кандидатом для будущих транзисторных каналов, поскольку его можно изготовить толщиной в атомный слой.
Их анализ показал, что проникновение электронов в канал зависит от выбора металлического электрода и атомной структуры контактной поверхности. Таким образом, минимально возможный размер транзистора не является фиксированным и зависит от выбора материала и конструкции устройства.
Согласно исследованию, критическая длина туннелирования зависит от работы выхода металла и геометрии контактной структуры. Это означает, что инженеры потенциально могут регулировать пределы масштабирования транзисторов, выбирая различные материалы и конфигурации интерфейсов.
Среди изученных комбинаций команда обнаружила, что утечку электронов можно предотвратить при размерах менее 4 нанометров. Это позволяет предположить, что в будущем транзисторы можно будет масштабировать ещё сильнее, чем позволяют современные технологии.