Учёные нашли способ ускорить ультратонкие транзисторы в 50 раз без увеличения энергопотребления

По мере уменьшения размеров полупроводниковых компонентов производители сталкиваются с фундаментальной проблемой. Тонкие каналы транзисторов помогают снизить токи утечки и энергопотребление, однако одновременно резко возрастает контактное сопротивление между металлом и полупроводником. В результате выигрыш от миниатюризации частично теряется из-за ухудшения проводимости устройства.

В качестве перспективного материала исследователи использовали теллур — полупроводник с высокой подвижностью носителей заряда и возможностью низкотемпературной обработки. Такие свойства делают его особенно привлекательным для создания многослойных 3D-интегральных схем, где память и вычислительные блоки располагаются друг над другом.

Однако у теллура есть серьёзный недостаток. Для подавления токов утечки его канал необходимо уменьшать до толщины менее 5 нанометров. При этом возрастает так называемый барьер Шоттки — энергетическое препятствие на границе металла и полупроводника, которое затрудняет движение электронов и снижает эффективность работы транзистора.

Для решения этой проблемы команда POSTECH применила технологию Raised Source and Drain (RSD), ранее использовавшуюся в кремниевых процессах. Исследователи сохранили сверхтонкий канал толщиной около 4 нм, но локально увеличили толщину материала только в областях контакта с металлическими электродами — истоке и стоке. Такой подход позволил одновременно сохранить низкие токи утечки и значительно улучшить прохождение электрического тока через контакты.

Испытания показали впечатляющие результаты. Контактное сопротивление удалось снизить примерно в 50 раз — с 97,5 до 1,7 кОм·мкм. При температуре −196 °C ток во включённом состоянии вырос более чем в 17 раз по сравнению с традиционной конструкцией.

Ещё одним важным преимуществом разработки стала совместимость с промышленными технологиями производства. Новая структура формируется методом распылительного осаждения при низких температурах, что позволяет масштабировать процесс для массового выпуска полупроводниковых компонентов.

Авторы исследования считают, что предложенный подход может найти применение не только в теллуровых транзисторах. Метод локального управления толщиной способен повысить эффективность широкого спектра двумерных и ультратонких полупроводниковых материалов, которые рассматриваются в качестве основы для будущих поколений микросхем.

По мере приближения традиционных кремниевых технологий к физическим пределам масштабирования подобные решения становятся всё более важными. Они позволяют сохранить рост производительности вычислительных систем без необходимости радикально менять производственные процессы, открывая путь к созданию более плотных, быстрых и энергоэффективных 3D-чипов для искусственного интеллекта и дата-центров будущего.