Тайваньские исследователи совместно со специалистами TSMC продвинулись в разработке транзисторов на базе двумерных полупроводников. Учёным удалось изготовить устройство с однослойным каналом из дисульфида молибдена (MoS₂), решив одну из наиболее неприятных проблем таких структур — формирование сверхтонкого изолирующего слоя затвора без существенного ухудшения электрических характеристик самого канала.

Ключом стал промежуточный слой толщиной всего в несколько атомов между MoS₂ и основным диэлектриком. Благодаря этому исследователи смогли приблизить эквивалентную толщину затворного диэлектрика к 1 нм, одновременно сохранив высокую подвижность носителей заряда. Это пока не технология для серийного производства процессоров и не непосредственная замена современным кремниевым транзисторам, однако эксперимент устраняет один из серьёзных барьеров на пути к дальнейшей миниатюризации электроники.

Почему кремнию ищут дополнение

Современная полупроводниковая промышленность продолжает уменьшать размеры транзисторов, однако по мере масштабирования всё заметнее проявляются физические ограничения привычных материалов.

Особенно трудно контролировать ток в чрезвычайно коротком канале. Чем меньше становится структура транзистора, тем сильнее различные паразитные эффекты способны влиять на его работу. Именно поэтому интерес исследователей постепенно смещается к материалам, сохраняющим подходящие электрические свойства при толщине буквально в несколько атомов.

Одним из наиболее перспективных кандидатов считается дисульфид молибдена MoS₂. Его однослойная структура имеет толщину порядка 0,7 нм. Благодаря столь тонкому каналу материал потенциально лучше подходит для дальнейшего масштабирования транзисторов и подавления короткоканальных эффектов.

Перспективность двумерных полупроводников подтверждают и другие современные исследования: в 2026 году учёные показали, что некоторые атомарно тонкие материалы можно уменьшать до размеров, актуальных для будущих микросхем, сохраняя приемлемые характеристики транзисторов. При этом исследователи подчёркивают, что речь пока не идёт о скорой замене кремния.

Проблема оказалась на границе материалов

Сам по себе перспективный полупроводник — только часть транзистора. Не менее важно правильно соединить его с остальными элементами устройства.

И здесь необычная структура MoS₂ создаёт серьёзную технологическую проблему. Поверхность двумерного кристалла практически лишена свободных химических связей. Из-за этого стандартное для современной микроэлектроники атомно-слоевое осаждение (ALD) не всегда позволяет сформировать непосредственно на MoS₂ качественную, равномерную и одновременно чрезвычайно тонкую диэлектрическую плёнку.

Особенно сложным становится использование материалов с высокой диэлектрической проницаемостью — так называемых high-k диэлектриков. К ним относится, например, оксид гафния HfO₂.

Такой материал обеспечивает эффективное управление каналом транзистора, однако непосредственное взаимодействие с атомарно тонким полупроводником способно усиливать рассеяние электронов и снижать их подвижность.

Получается неприятный компромисс: улучшая управление затвором, можно одновременно ухудшить характеристики канала.

Между слоями добавили атомарный «переходник»

Исследователи подошли к задаче с другой стороны. Вместо поиска ещё одного материала для самого канала они изменили структуру границы между полупроводником и диэлектриком.

На поверхность однослойного MoS₂ в условиях сверхвысокого вакуума методом электронно-лучевого испарения наносился чрезвычайно тонкий слой алюминия — приблизительно 0,3 нм.

На ван-дер-ваальсовой поверхности двумерного материала алюминий формировался с преимущественной кристаллографической ориентацией Al(111). Затем металл контролируемо окисляли, получая очень тонкий и однородный промежуточный слой Al₂O₃.

Уже поверх него можно было сформировать основной high-k диэлектрик HfO₂ методом атомно-слоевого осаждения.

В результате получилась своеобразная многослойная конструкция:

MoS₂ — атомарно тонкий Al₂O₃ — HfO₂.

Именно промежуточный слой играет здесь принципиально важную роль. Он одновременно создаёт подходящую поверхность для формирования основного диэлектрика и уменьшает нежелательное воздействие HfO₂ на канал транзистора.

Толщина приблизилась к одному нанометру

Наиболее интересные результаты исследователи получили на транзисторах с короткими каналами.

Эквивалентную толщину затворного диэлектрика, или EOT, удалось уменьшить примерно до 1 нм. При этом высокая подвижность носителей заряда в MoS₂ сохранилась.

Именно такое сочетание имеет большое значение. Сам по себе тонкий диэлектрик не является достижением, если его использование настолько ухудшает движение электронов, что преимущества миниатюризации исчезают.

В данном случае атомарный буфер позволил совместить эффективное управление каналом с хорошими транспортными характеристиками.

Зачем вообще нужен MoS₂

Дисульфид молибдена относится к классу двумерных полупроводников. В отличие от кремния, его можно использовать в виде чрезвычайно тонких кристаллических слоёв.

Для будущих транзисторов это особенно интересно: уменьшение толщины канала позволяет затвору эффективнее контролировать движение носителей заряда даже при очень небольших размерах устройства.

При этом исследования MoS₂ ведутся сразу по нескольким направлениям. Например, в 2026 году другая группа исследователей продемонстрировала технологию оптического легирования однослойного MoS₂. В экспериментальных устройствах она позволила значительно увеличить ток во включённом состоянии и подвижность носителей.

Это хорошо показывает общую тенденцию: сейчас учёные пытаются решить уже не только вопрос получения двумерных материалов, но и целый комплекс практических задач — от контактов и затворных диэлектриков до легирования, отвода тепла и воспроизводимости производства.

До процессоров на MoS₂ ещё далеко

Несмотря на впечатляющие характеристики экспериментального транзистора, говорить о скором отказе TSMC от кремния было бы неправильно.

Продемонстрирован прежде всего технологический принцип, а между работающим лабораторным транзистором и массовым выпуском миллиардов одинаковых элементов на больших кремниевых пластинах лежит огромная дистанция.

Будущей технологии предстоит доказать воспроизводимость характеристик, приемлемый процент выхода годных устройств, долговременную надёжность и совместимость с промышленными процессами производства микросхем.

Отдельным вопросом остаётся тепло. Современные исследования показывают, что перенос тепла в двумерных материалах и на границах между атомарно тонкими слоями имеет собственные особенности, поэтому интерфейсы будущих 2D-устройств придётся проектировать не только с учётом электрических характеристик.

Главным достижением стал не новый материал

Работа TSMC и тайваньских исследователей интересна прежде всего тем, что предлагает решение фундаментальной инженерной проблемы двумерной электроники.

MoS₂ рассматривается в качестве перспективного полупроводника уже далеко не первый год. Настоящая сложность заключается в том, чтобы встроить атомарно тонкий материал в полноценный транзистор и при этом не уничтожить его преимущества соседними слоями.

Новый подход показывает, что граница между материалами сама может стать функциональной частью устройства. Буфер толщиной всего несколько атомов позволяет одновременно защитить канал и сформировать качественный затворный диэлектрик.

Если подобные технологии удастся адаптировать к массовому производству, двумерные полупроводники смогут стать одним из инструментов продолжения масштабирования микросхем тогда, когда дальнейшее уменьшение традиционных кремниевых структур станет слишком сложным или экономически невыгодным.