Wissenschaftler entdecken Methode zum „Züchten“ von Transistoren im Subnanometer-Bereich

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Direktor Jo Moon-Ho vom Center for Van der Waals Quantum Solids am Institute for Basic Science (IBS) hat eine neuartige Methode implementiert, um epitaktisches Wachstum von 1D-Metallmaterialien mit einer Breite von weniger als 1 nm zu erreichen. Die Gruppe wendete dieses Verfahren an, um eine neue Struktur für 2D-Halbleiterlogikschaltungen zu entwickeln. Insbesondere verwendeten sie die 1D-Metalle als Gate-Elektrode des ultra-miniaturisierten Transistors.

Diese Forschung erscheint in Natur Nanotechnologie.

Integrierte Bauelemente auf der Basis zweidimensionaler (2D) Halbleiter, die selbst bei extremer Materialstärke bis hinunter zur atomaren Skala hervorragende Eigenschaften aufweisen, stehen weltweit im Fokus der Grundlagen- und angewandten Forschung. Die Realisierung solcher ultraminiaturisierter Transistorbauelemente, die die Elektronenbewegung innerhalb weniger Nanometer steuern können, geschweige denn die Entwicklung des Herstellungsprozesses für diese integrierten Schaltkreise, ist jedoch mit erheblichen technischen Herausforderungen verbunden.

Der Integrationsgrad in Halbleiterbauelementen wird durch die Breite und Steuereffizienz der Gate-Elektrode bestimmt, die den Elektronenfluss im Transistor steuert. Bei herkömmlichen Halbleiterherstellungsprozessen ist es aufgrund der begrenzten lithografischen Auflösung unmöglich, die Gate-Länge unter einige Nanometer zu reduzieren.

Um dieses technische Problem zu lösen, nutzte das Forschungsteam die Tatsache, dass die Spiegelzwillingsgrenze (MTB) von Molybdändisulfid (MoS2), einem 2D-Halbleiter, ein 1D-Metall mit einer Breite von nur 0,4 nm ist. Sie nutzten dies als Gate-Elektrode, um die Einschränkungen des Lithographieprozesses zu überwinden.

In dieser Studie wurde die 1D-MTB-Metallphase erreicht, indem die Kristallstruktur des bestehenden 2D-Halbleiters auf atomarer Ebene kontrolliert und in ein 1D-MTB umgewandelt wurde. Dies stellt nicht nur einen bedeutenden Durchbruch für die Halbleitertechnologie der nächsten Generation, sondern auch für die Grundlagen der Materialwissenschaft dar, da es die großflächige Synthese neuer Materialphasen durch künstliche Kontrolle der Kristallstrukturen demonstriert.

Laut der International Roadmap for Devices and Systems (IRDS) der IEEE wird die Halbleiterknotentechnologie bis 2037 etwa 0,5 nm erreichen, mit Transistor-Gate-Längen von 12 nm. Das Forschungsteam konnte nachweisen, dass die durch das vom 1D-MTB-Gate angelegte elektrische Feld modulierte Kanalbreite nur 3,9 nm betragen kann und damit die futuristische Vorhersage deutlich übertrifft.

Der vom Forschungsteam entwickelte 1D-MTB-basierte Transistor bietet auch Vorteile bei der Schaltungsleistung. Technologien wie FinFET oder Gate-All-Around, die zur Miniaturisierung von Silizium-Halbleiterbauelementen eingesetzt werden, leiden aufgrund ihrer komplexen Bauelementstrukturen unter parasitärer Kapazität, was zu Instabilitäten in hochintegrierten Schaltungen führt. Im Gegensatz dazu kann der 1D-MTB-basierte Transistor die parasitäre Kapazität aufgrund seiner einfachen Struktur und extrem schmalen Gate-Breite minimieren.

Direktor Jo Moon-Ho kommentierte: „Die durch epitaktisches Wachstum erzielte 1D-Metallphase ist ein neuer Materialprozess, der bei ultraminiaturisierten Halbleiterprozessen angewendet werden kann. Es wird erwartet, dass er in Zukunft zu einer Schlüsseltechnologie für die Entwicklung verschiedener elektronischer Geräte mit geringem Stromverbrauch und hoher Leistung wird.“