Ученые определили границы миниатюризации транзисторов ниже 4 нанометров

Многоуровневая квантово-механическая модель предсказала, что граница масштабирования транзисторов зависит от материалов и контактной геометрии

Исследователи Корейского института передовых технологий (KAIST) представили метод, позволяющий установить основные пределы уменьшения транзисторов, используя квантово-механическое моделирование на атомном уровне. Данная работа затрагивает один из ключевых вопросов современной микроэлектроники: насколько далеко можно продолжать сокращение размеров транзисторов в условиях, когда традиционные физические модели перестают быть применимыми.

Транзисторы — это миниатюрные переключатели, которые управляют потоком электричества в микросхемах. Они определяют производительность и энергоэффективность процессоров в смартфонах, серверах и системах искусственного интеллекта. Несмотря на то, что отрасль уже обсуждает переход к техпроцессам уровня 2 нанометров, реальные физические размеры активных областей транзисторов всё ещё превышают 10 нанометров.

Основная трудность дальнейшего уменьшения связана с квантовым туннелированием — явлением, когда электроны начинают «просачиваться» через энергетические барьеры, которые в рамках классической физики рассматриваются как непреодолимые. Это вызывает утечки тока и утрату контроля над переключением, что делает транзистор нестабильным.

Экспериментальное определение предела миниатюризации является крайне сложной задачей: на уровне отдельных атомов невозможно точно контролировать контакт между металлическими электродами и полупроводниковым каналом, по которому течёт ток. Поэтому команда под руководством профессора Ён-Хун Кима (Yong-Hoon Kim) применила вычисления из «первых принципов» — метод, который описывает поведение материалов строго на основании законов квантовой механики, без экспериментальной подгонки.

Основой исследования стала ранее разработанная методика MS-DFT (multi-space constrained-search density functional theory) — расширение теории функционала плотности, позволяющее моделировать не только материалы, но и целые электронные устройства, включая сложные интерфейсы металл–полупроводник.

С её помощью исследователи провели вычислительные эксперименты методом длины переноса (transfer length method, TLM) — стандартным подходом для измерения контактного сопротивления. В цифровой модели они смогли определить, при каких условиях электроны начинают значительно «просачиваться» в канал и нарушать управление током.

В качестве тестового материала был использован монослой дисульфида молибдена (MoS2) — двумерный полупроводник, имеющий толщину в один атомный слой, который рассматривается как один из кандидатов для транзисторов следующего поколения. Моделирование продемонстрировало, что глубина проникновения электронов и уровень утечек зависят не только от материала канала, но и от выбора металла и геометрии контакта.

Ключевой вывод работы заключается в том, что предельная длина, при которой квантовое туннелирование начинает нарушать функционирование транзистора, не является фиксированной величиной. Она изменяется в зависимости от работы выхода металла (энергии, необходимой для удаления электрона) и структуры контакта. Это говорит о том, что границы миниатюризации могут быть «сдвинуты» с помощью инженерных решений.

В ряде конфигураций исследователи продемонстрировали, что критическая длина туннелирования может быть снижена до уровня ниже 4 нанометров, что указывает на возможность дальнейшего масштабирования транзисторов за пределы текущих технологических ожиданий.

Авторы также предложили стратегию проектирования будущих чипов, в которой двумерные материалы с различными свойствами объединяются для снижения энергопотребления и повышения эффективности.

Данная работа переводит вопрос «до каких размеров можно уменьшать транзисторы» из области эмпирических ограничений в сферу предсказуемого проектирования. Это позволяет заранее оценивать архитектуру будущих устройств до их физического создания, сокращая количество дорогостоящих экспериментальных итераций и ускоряя разработку полупроводников нового поколения.