Kuinka pieniksi puolijohteet voivat tulla?

Maailmanlaajuisen puolijohdeteollisuuden siirtyessä niin sanottuun "2 nm:n prosessin" aikakauteen transistorien – puolijohdepiirien ydinkomponenttien – todellinen koko on edelleen yli 10 nm.

Kuinka paljon pienempiä transistorit sitten voivat todellisuudessa olla? KAIST-tutkijat ovat kehittäneet teknologian, jolla tämä raja voidaan ennustaa kvanttimekaanisten atomitason laskelmien avulla.

Niiden tuloksena he pystyivät kvantitatiivisesti analysoimaan, kuinka syvälle elektronit tunkeutuvat kanavaan ja kuinka paljon tämä estää virran säätöä riippuen metallielektrodin tyypistä ja kontaktiatomin geometriasta.

Toisin sanoen he selvensivät, että transistorin koon raja vaihtelee valitun metallin ja kontaktirakenteen mukaan. Tämä tarkoittaa, että rakenteen suorituskyky ja rajoitukset voidaan nyt ennustaa etukäteen pelkästään tietokonesimulaatioiden avulla ennen varsinaisen transistorin valmistusta.

Erityisesti tarkasteltujen metallien ja kontaktirakenteiden joukossa tutkimusryhmä vahvisti, että elektronien vuodon pysähtymispituutta voitaisiin lyhentää alle 4 nm:iin. Tämä tulos osoittaa, että transistoreita on mahdollista valmistaa jopa nykyistä pienempiä.

Lisäksi tutkimusryhmä ehdotti seuraavan sukupolven puolijohdesirujen suunnittelustrategiaa, joka vähentää virrankulutusta yhdistämällä kaksiulotteisia puolijohteita, joilla on erilaiset ominaisuudet.

Kaksiulotteiset (2D) materiaalit ovatkin jo pitkään herättäneet huomiota poikkeuksellisen suorituskykynsä ansiosta. Niillä on kuitenkin ollut kriittinen rajoitus: niiden suorituskyky heikkenee merkittävästi, kun useita kerroksia pinotaan päällekkäin.

KAISTin professori Sarah S. Parkin johtama tutkimusryhmä on yhteistyössä Oregonin yliopiston professori Christopher H. Hendonin kanssa ratkaissut tämän pitkään jatkuneen pullonkaulan kehittämällä uuden johtavan materiaalin, joka säilyttää yksikerroksiset elektroniset ominaisuutensa myös useissa kerroksissa pinottuna.

Tällä tutkimuksella on suuri merkitys, sillä se ratkaisee pitkäaikaisen haasteen 2D-materiaaleissa: ilmiön, jossa pinoaminen heikentää suorituskykyä. Osoittamalla, että aiemmin yksittäisiin kerroksiin rajoittuneet ylivoimaiset elektroniset ominaisuudet voidaan saavuttaa myös massamateriaaleissa, tämä tutkimus on tärkeä käännekohta perustutkimuksen ja käytännön teknologian yhdistämisessä.

Aiheesta aiemmin:

Tutkimus johdattaa 2D-transistorit lähemmäksi tuotantoa

Etenemissuunnitelma 2D-puolijohteiden porttipinon teknologialle

Kaksiulotteiset laboratorioista teollisuuteen