Korėjos pažangusis mokslo ir technologijų institutas (The Korea Advanced Institute of Science and Technology, KAIST)
Šaltinis: npj Computational Materials (2026). DOI: 10.1038/s41524-026-02101-1
Pasaulinei puslaidininkių pramonei žengiant į vadinamąją 2 nanometrų procesų erą, tikrasis tranzistorių – pagrindinių puslaidininkinių lustų komponentų – dydis vis dar viršija 10 nm. Taigi, kiek mažesni gali būti tranzistoriai? KAIST tyrėjai sukūrė technologiją, skirtą numatyti šią ribą taikant kvantinės mechanikos, atominio lygio skaičiavimus.
Elektrotechnikos mokyklos profesoriaus Yong-Hoon Kimo vadovaujama komanda sukūrė skaičiavimo projektavimo technologiją, kuri naudoja kompiuterinius modeliavimus tranzistorių mastelio riboms analizuoti ir numatyti – tai pagrindinis iššūkis kuriant naujos kartos puslaidininkinius įtaisus. Darbas paskelbtas žurnale „npj Computational Materials“.
Tranzistoriai yra itin maži jungikliai, kurie įjungia ir išjungia elektros sroves, tarnaujantys kaip pagrindiniai komponentai, lemiantys puslaidininkių lustų, maitinančių išmaniuosius telefonus, dirbtinio intelekto kompiuterius ir kitų prietaisų, našumą ir energijos vartojimo efektyvumą. Puslaidininkių pramonė nuolat mažina tranzistorių dydžius, kad pasiektų didesnį našumą ir mažesnes energijos sąnaudas.
Tačiau, kai dydis tampa pernelyg mažas, įvyksta kvantinis tuneliavimas – kvantinės mechanikos reiškinys, kai elektronai praeina per energijos barjerus, kurių paprastai negali peržengti, todėl sunku valdyti srovę. Dėl šios priežasties nustatyti, kiek mažesnių tranzistorių galima pagaminti kvantinio tuneliavimo ribose, yra labai svarbi užduotis kuriant naujos kartos puslaidininkius.
Kodėl mastelio mažinimas tampa vis sunkesnis
Tačiau praktiškai neįmanoma eksperimentiškai tiesiogiai patvirtinti tranzistorių mastelio keitimo ribų. Naudojant dabartines technologijas, sunku tiksliai kontroliuoti ir kiekybiškai išanalizuoti sąlyčio plotą, kuriame metalo elektrodas ir puslaidininkio kanalas (kelias, kuriuo srovė teka tranzistoriaus viduje) susitinka atominiame lygmenyje.
Tyrimų komanda išsprendė šią problemą naudodama ab initio, arba pirmojo principo, skaičiavimus – metodą, kuris apskaičiuoja medžiagų savybes remdamasis vien pagrindiniais fizikos dėsniais, nesiremdamas eksperimentiniais duomenimis. Anksčiau jie buvo sukūrę naują teorinę-skaičiavimo sistemą, vadinamą daugiaerdvės apribotos paieškos tankio funkcionalo teorija (multi-space constrained-search density functional theory, MS-DFT), kuri išplečia pirmojo principo skaičiavimų apimtį nuo medžiagų iki prietaisų, tiksliai analizuodama sudėtingus kvantinius reiškinius, vykstančius sąsajoje, kur susitinka metaliniai elektrodai ir puslaidininkiai ir per kurią teka elektronai.
Šiame tyrime komanda, remdamasi šia sistema, atliko skaičiavimo perdavimo ilgio metodo (transfer length method, TLM) eksperimentus – auksinį standartą eksperimentinei technikai kontaktinei varžai (srovės tekėjimo varžai, atsirandančiai metalo elektrodo ir puslaidininkio sąsajoje) nustatyti. Remdamiesi atominio lygio TLM skaičiavimo rezultatais, jie nustatė kvantinio tuneliavimo ribą (ilgį, kuriame elektronai nustoja nutekėti ir pradeda leisti valdyti tranzistoriaus srovę).
Ką atskleidė modeliavimas
Tyrimų komanda pritaikė šią technologiją vieno sluoksnio MoS2 (molibdeno disulfido) įtaisui – reprezentatyviai dvimatei puslaidininkinei medžiagai, kurią galima pagaminti iki atominio sluoksnio plonumo ir kuri yra potenciali medžiaga naujos kartos tranzistorių kanalams. Dėl to jie galėjo kiekybiškai išanalizuoti, kaip giliai elektronai prasiskverbia į kanalą ir kiek tai trukdo srovės srauto valdymui, priklausomai nuo metalo elektrodo tipo ir kontaktinės atominės geometrijos.
Kitaip tariant, jie paaiškino, kad riba, kiek mažas tranzistorius gali būti pagamintas, priklauso nuo to, koks metalas ir kontaktinė struktūra yra pasirinktas. Tai reiškia, kad įtaiso veikimą ir ribas dabar galima iš anksto numatyti vien kompiuterinio modeliavimo būdu, prieš pagaminant tikrąjį tranzistorių.
Remiantis rezultatais, nustatyta, kad kritinis tuneliavimo ilgis – maksimalus ilgis, per kurį elektronai prasiskverbia į kanalą ir pradeda daryti įtaką tranzistoriaus veikimui – nėra viena fiksuota vertė. Šis ilgis išryškėjo kaip projektavimo kintamasis, kuris kinta priklausomai nuo metalo minimalios energijos, reikalingos elektronui pašalinti iš metalo ir sandūros, kurioje susitinka metalas ir puslaidininkis, kontaktinės struktūros. Tai reiškia, kad tranzistoriaus dydžio sumažinimo mastas priklauso nuo medžiagų derinio ir konstrukcijos dizaino.
Visų pirma, iš nagrinėjamų metalų tipų ir kontaktų struktūrų, tyrėjų komanda patvirtino, kad ilgis, kuriam esant elektronai nustoja nutekėti, gali būti sumažintas iki mažiau nei 4 nm. Šis rezultatas rodo galimybę pagaminti dar mažesnius tranzistorius nei šiandien pasiekiami lygiai.
Implementacija lustų dizainui
Be to, tyrėjų komanda pasiūlė naujos kartos puslaidininkinių lustų projektavimo strategiją, kuri sumažina energijos suvartojimą, derindama dvimačius puslaidininkius su skirtingomis savybėmis.
Šis tyrimas yra reikšmingas, nes jis sukuria platformą mastelio riboms numatyti ir optimalioms įrenginių konfigūracijoms sukurti prieš faktiškai pagaminant puslaidininkinius lustus. Tikimasi, kad tokiu būdu bus sumažintas bandymų ir klaidų skaičius bei sutrumpintas kūrimo laikotarpis kuriant naujos kartos itin mažus dirbtinio intelekto puslaidininkinius įrenginius.
Profesorius Kimas sakė: „Šis tyrimas yra reikšmingas, nes jame pateikiamas naujas fizinis kriterijus, apibrėžiantis, kokie maži gali tapti naujos kartos tranzistoriai. Skaičiuojant kvantinės mechanikos reiškinius mažesniame nei 10 nm režime, kuriuos sunku eksperimentiškai ištirti, atvėrėme kelią panaudoti šiuos rezultatus naujos kartos tranzistorių projektavime.“
Tae Hyung Kim et al, Ab initio transfer length method simulations of tunneling limits in 2D semiconductors, npj Computational Materials (2026). DOI: 10.1038/s41524-026-02101-1
Journal information:npj Computational Materials
IBM paskelbė pagaminusi 7 nanometrų technologijos lustą
Trimačiai silicio grandynai priartina tankesnius kompiuterių lustus prie realybės
NASA naujasis dirbtinio intelekto kosminis lustas galėtų leisti erdvėlaiviams mąstyti patiems
Atmintį išsaugantys tranzistoriai galėtų apeiti Boltzmanno ribą