Атомарное моделирование показало минимально возможный размер транзистора
Передовая микроэлектронная промышленность переходит на техпроцесс 2 нм, а тем временем неумолимо надвигается теоретический предел, за которым дальнейшая микроминиатюризация станет невозможной. Он определяется габаритами транзистора — с их уменьшением нарастают квантовые эффекты, делающие его работу невозможной.
Сейчас фактический размер транзистора в лучших чипах порядка 10 нм. От того, насколько еще удастся его уменьшить, зависит будущее полупроводниковой индустрии. Выяснить пределы миниатюризации транзисторов экспериментально практически невозможно. Современные технологии не позволяют с достаточной точностью контролировать и количественно анализировать зону контакта между металлическим электродом и полупроводниковым каналом на атомарном уровне.
В Школе электротехники KAIST разработали вычислительную технологию проектирования, которая с помощью компьютерного моделирования позволяет анализировать и прогнозировать пределы уменьшения транзисторов — одну из главных задач при разработке полупроводниковых устройств следующего поколения. Результаты опубликованы в журнале npj Computational Materials.
Расчеты в этой работе ведутся ab initio — от начала, то есть не от экспериментальных данных, а от фундаментальных основ физики. Руководствуясь этим подходом, авторы провели вычислительное моделирование по методу длины переноса (TLM) — золотому стандарту экспериментального определения контактного сопротивления на границе металл-полупроводник. По его результатам определили предел квантового туннелирования — ту длину канала, начиная с которой утечка электронов прекращается и транзистор вновь обретает способность управлять током.
Разработанную методику применили к устройству на основе монослоя дисульфида молибдена MoS₂ — одного из перспективных двумерных полупроводников, толщина которого может достигать одного атомного слоя, что делает его кандидатом для транзисторов следующего поколения. Исследователи смогли количественно оценить, насколько глубоко электроны проникают в канал и в какой степени это мешает управлению током в зависимости от типа металла электрода и атомной геометрии контакта.
Иными словами, предел миниатюризации транзистора не фиксирован — он зависит от металла электродов и их формы. Это означает, что теперь производительность и предельные возможности устройства можно прогнозировать заранее, исключительно с помощью компьютерного моделирования, до физического воплощения транзистора. Это снизит число неудачных экспериментальных попыток и ускорит цикл разработки сверхминиатюрных полупроводниковых устройств для систем искусственного интеллекта.
Критическая длина туннелирования — максимальная протяженность, на которой электроны проникают в канал и начинают влиять на работу транзистора — оказалась не единственной константой. Наоборот, она выступает как проектная переменная, которая зависит от работы выхода электронов из металла и от структуры контакта на границе раздела металла и полупроводника. То есть дальнейшая микроминиатюризация во многом определяется сочетанием материалов и конструктивных решений.
Если останавливаться на конкретных цифрах, расчеты показали, что длину канала MoS₂-транзистора можно уменьшать до 3,1 нм, и квантовое туннелирование при этом, вопреки ожиданиям, все еще не приобретает неуправляемого характера. Транзистор целиком с контактами, затвором, диэлектриком, конечно, больше — но еще есть куда развиваться.
Кроме того, исследовательская группа предложила стратегию проектирования микросхем следующего поколения, позволяющую снизить энергопотребление за счет комбинирования двумерных полупроводников с различающимися свойствами.
