Исследователи Корейского института передовых технологий (KAIST) предложили способ определить фундаментальные пределы уменьшения транзисторов, используя квантово-механическое моделирование на атомном уровне. Работа касается одного из ключевых вопросов современной микроэлектроники: насколько далеко можно продолжать уменьшение размеров транзисторов в условиях, когда классические физические модели перестают работать.
Транзисторы — миниатюрные переключатели, управляющие потоком электричества в микросхемах. Они определяют производительность и энергоэффективность процессоров в смартфонах, серверах и системах искусственного интеллекта. Хотя промышленность уже говорит о переходе к техпроцессам уровня 2 нанометров, реальные физические размеры активных областей транзисторов всё ещё остаются выше 10 нанометров.
Главная проблема дальнейшего уменьшения связана с квантовым туннелированием — эффектом, при котором электроны начинают «просачиваться» через энергетические барьеры, которые в классической физике считаются непреодолимыми. Это приводит к утечкам тока и потере управления переключением, что делает транзистор нестабильным.
Экспериментально определить предел миниатюризации крайне сложно: 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) использовала вычисления из «первых принципов» — метод, который описывает поведение материалов строго на основе законов квантовой механики, без подгонки под эксперимент.
Основой работы стала разработанная ранее 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 метода длины переноса (transfer length method, TLM) — стандартного подхода для измерения контактного сопротивления. В цифровой модели они смогли определить, при каких условиях электроны начинают существенно «просачиваться» в канал и нарушать управление током.
В качестве тестового материала использовался монослой дисульфида молибдена (MoS2) — двумерный полупроводник толщиной в один атомный слой, рассматриваемый как один из кандидатов для транзисторов будущего поколения. Моделирование показало, что глубина проникновения электронов и уровень утечек зависят не только от материала канала, но и от выбора металла и геометрии контакта.
Ключевой результат работы заключается в том, что предельная длина, при которой квантовое туннелирование начинает разрушать работу транзистора, не является фиксированной константой. Она варьируется в зависимости от работы выхода металла (энергии, необходимой для удаления электрона) и структуры контакта. Это означает, что границы миниатюризации можно «сдвигать» инженерными решениями.
В ряде конфигураций исследователи показали, что критическая длина туннелирования может быть уменьшена 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 разными свойствами комбинируются для снижения энергопотребления и повышения эффективности.
Работа переводит вопрос «до каких размеров можно уменьшать транзисторы» из области эмпирических ограничений в область предсказуемого проектирования. Это позволяет заранее оценивать архитектуру будущих устройств до их физического изготовления, сокращая число дорогостоящих экспериментальных итераций и ускоряя разработку полупроводников нового поколения.