Kamēr tradicionālā silīcija bāzes pusvadītāju tehnoloģija tuvojas saviem fiziskajiem ierobežojumiem, globālā pusvadītāju industrija paātrina meklējumus pēc nākamās paaudzes materiāliem, kas spēj turpināt Mūra likumu. Divdimensiju pusvadītāji, piemēram, molibdēna disulfīds (MoS₂), kas var būt tik plāni kā viena atomu slāņa — aptuveni 0,7 nanometri — tiek uzskatīti par solīgiem kandidātiem procesoru mezgliem zem 1 nanometra. Tomēr to praktiskai izmantošanai pastāv pastāvīgs izaicinājums: uz materiāla novietojot vārstu dielektriķi, var radīt defektus ultraplānā izolatora un pusvadītāja robežā, palielinot elektronu izkliedi, samazinot dalītāja mobilitāti un pasliktinot tranzistora veiktspēju.
Lai risinātu šo ilgi pastāvošo robežas problēmu, pētnieki no TSMC Korporatīvās izpētes nodaļas un Nacionālās Jang Ming Chiao Tung universitātes izstrādāja pieeju, kas pazīstama kā “epitaksāla robežas inženierija.” Pētniecība tika publicēta žurnālā Nature Electronics 2026. gada jūlijā.
Tā vietā, lai izstrādātu jaunu pusvadītāju vai vārstu dielektriķi, pētniecības grupa pārveidoja robežu starp abiem materiāliem atomu mērogā. Izmantojot ultrahlama vakuuma tehnoloģiju, komanda precīzi noguldīja ultraplānu metāla alumīnija slāni uz monolayer MoS₂. Pēc tam alumīnijs tika oksidēts, lai izveidotu alumīnija oksīda slāni, kura biezums ir aptuveni 0,42 nanometri. Šis atomu biezais slānis kalpoja kā augstas kvalitātes buferis, uz kura pētnieki noguldīja hafnija oksīdu, augstas k materiālu, kas tiek izmantots kā funkcionālais vārstu dielektriķis.
Atomiskā mēroga robežas inženierijas tehnika nodrošina divus ieguvumus. Alumīnija oksīda buferu slānis pārvar noguldīšanas grūtības, ko izraisa sarakstu saistošo saiti trūkums MoS₂ virsmā, nodrošinot gludu un nepārtrauktu augšanas virsmu hafnija oksīda plēvei. Tas arī darbojas kā izolācijas slānis, kas samazina lādiņu mijiedarbību un režģa sprieguma efektus starp augstas k dielektriķi un divdimensiju pusvadītāju, būtiski samazinot robežas inducētās elektronu izkliedes.
Izmantojot šo tehniku, pētnieki izgatavoja augstas veiktspējas augsto vārstu tranzistorus, kas balstīti uz viendabīga MoS₂, kas audzēts, izmantojot ķīmisko tvaiku noguldīšanu. Testa rezultāti parādīja ekvivalentu oksīda biezumu, kas aptuveni ir 1 nanometrs, izpildot stingras vārstu-dielektriķa mērogošanas prasības progresīvām pusvadītāju tehnoloģijām. Ierīces arī demonstrēja augstāko transconductance veiktspēju ļoti mazos izmēros ar maksimuma vērtību 0,45 mS/μm, kā arī ļoti zemu noplūdes strāvu un spēcīgu darbības stabilitāti.
Pētījums iezīmē pirmo demonstrāciju lielas platības atomiski plānās ierīcēs, lai apvienotu agresīvu vārstu-dielektriķa mērogošanu, spēcīgu elektrostatisku kontroli un augstu dalītāja mobilitāti. Tehnika izveido platformu, ko varētu pielietot vairākiem divdimensiju pusvadītāju materiāliem. Galu galā tā var tikt integrēta ar esošajām pusvadītāju ražošanas tehnoloģijām un atbalstīt pēc-silīcija mikroshēmu tehnoloģiju attīstību.