Průlom v mikroelektronice: Atomové výpočty ukazují cestu k tranzistorům menším než 4 nanometry

Vědci z Korejského pokročilého institutu vědy a technologie (KAIST) vyvinuli simulační metodu, která dokáže předpovědět, jak malé mohou být budoucí tranzistory, než začnou jejich fungování narušovat kvantové jevy.

Vědci z Korejského pokročilého institutu vědy a technologie (KAIST) vyvinuli simulační metodu, která dokáže předpovědět, jak malé mohou být budoucí tranzistory, než začnou jejich fungování narušovat kvantové jevy. Tento objev by mohl inženýrům výrazně zefektivnit návrh čipů nové generace a zkrátit nákladné fáze pokusů a omylů během vývoje.

Tým využil kvantově mechanické výpočty na atomové úrovni k určení limitů zmenšování tranzistorů, což jsou miniaturní spínače řídící tok elektřiny v elektronických zařízeních. V době, kdy se polovodičový průmysl blíží k tzv. 2nm éře, zůstávají fyzické rozměry tranzistorů stále výrazně větší než 2 nanometry. Jednou z největších překážek další miniaturizace je kvantové tunelování – jev, při kterém elektrony unikají přes bariéry, které by je normálně blokovaly, což ztěžuje kontrolu toku proudu.

Pro překonání této výzvy se tým z KAIST spolehl na výpočty z prvních principů, což je výpočetní přístup, který předpovídá chování materiálu pomocí fyzikálních zákonů, nikoli experimentálních dat. Na základě dříve vyvinutého rámce známého jako multi-space constrained-search density functional theory (MS-DFT) provedli vědci virtuální experimenty metodou přenosové délky, což je standardní technika pro měření kontaktního odporu mezi kovovými elektrodami a polovodičovými materiály.

Simulace umožnily týmu prozkoumat, jak se elektrony pohybují přes rozhraní kov-polovodič, a určit kritickou tunelovací délku – bod, ve kterém únik elektronů začíná ovlivňovat výkon tranzistoru. Metodu aplikovali na jednovrstvý disulfid molybdenu (MoS2), dvourozměrný polovodič, který je považován za slibného kandidáta pro budoucí kanály tranzistorů, protože může být vyroben v tloušťce atomové vrstvy.

Analýza ukázala, že pronikání elektronů do kanálu se liší v závislosti na volbě kovové elektrody a atomové struktuře kontaktního rozhraní. Minimální dosažitelná velikost tranzistoru tak není pevná, ale závisí na výběru materiálu a designu zařízení. Podle studie se kritická tunelovací délka mění na základě pracovní funkce kovu a geometrie kontaktní struktury. To znamená, že inženýři mohou potenciálně ladit limity zmenšování tranzistorů výběrem různých materiálů a konfigurací rozhraní. Mezi studovanými kombinacemi tým zjistil, že únik elektronů by mohl být potlačen při rozměrech pod 4 nanometry, což naznačuje, že budoucí tranzistory mohou být zmenšeny ještě více, než umožňují současné technologie.

Vědci také navrhli strategii designu, která kombinuje dvourozměrné polovodiče s různými vlastnostmi pro snížení spotřeby energie v budoucích čipech. Tento přístup by mohl poskytnout návrhářům čipů platformu pro předpovídání výkonu a limitů zmenšování tranzistorů ještě před zahájením výroby, což by potenciálně zkrátilo vývojové cykly pro budoucí čipy umělé inteligence a vysoce výkonné výpočetní techniky.