Исследователи из Корейского института передовых технологий (KAIST) разработали метод, позволяющий вычислить фундаментальные пределы миниатюризации транзисторов с помощью квантово-механического моделирования на атомном уровне. Это исследование затрагивает критически важную для современной микроэлектроники проблему: насколько можно уменьшить размеры полупроводниковых элементов, прежде чем классические физические модели окончательно перестанут работать.
Предел миниатюризации и квантовый барьер
Транзисторы являются фундаментальными переключателями, которые управляют потоками электронов в процессорах для смартфонов, серверов и вычислительных систем искусственного интеллекта. Несмотря на то что индустрия активно осваивает техпроцессы уровня 2 нанометров, реальные физические размеры активных зон современных транзисторов по-прежнему значительно превышают 10 нанометров.
Главным препятствием для дальнейшего масштабирования остается эффект квантового туннелирования. При достижении определенных критических размеров электроны начинают беспрепятственно «просачиваться» через энергетические барьеры, которые в классической физике считались непреодолимыми. Это вызывает неконтролируемые утечки тока и потерю управления переключением, из-за чего транзистор теряет свою работоспособность.
Методология расчетов
Экспериментальное изучение этой проблемы на уровне отдельных атомов крайне затруднено, так как сложно добиться высокой точности при контакте металлических электродов с полупроводниковым каналом. Чтобы избежать трудностей натурных экспериментов, группа ученых под руководством профессора Ён-Хун Кима (Yong-Hoon Kim) применила вычисления из «первых принципов». Этот подход позволяет моделировать поведение материи исключительно на основе фундаментальных законов квантовой механики.
Ключевым инструментом стала методика MS-DFT (multi-space constrained-search density functional theory). Она расширяет традиционную теорию функционала плотности и позволяет детально моделировать не только сами материалы, но и работу целых электронных устройств, включая сложные интерфейсы металл–полупроводник.
В ходе вычислительных экспериментов исследователи применили стандартный метод длины переноса (TLM) для анализа контактного сопротивления. В качестве подопытного материала был выбран дисульфид молибдена (MoS2) — перспективный двумерный полупроводник толщиной в один атомный слой, который рассматривается как один из главных кандидатов для создания чипов следующего поколения.
Результаты и перспективы масштабирования
Исследование показало, что предельная длина канала, при которой квантовое туннелирование разрушает работу устройства, не является фиксированным значением. Она сильно зависит от работы выхода металла и специфической структуры контакта. Это открытие означает, что инженеры могут «отодвигать» границы миниатюризации, подбирая оптимальные материалы и геометрию соединений.
Ученым удалось доказать, что в определенных конфигурациях критическую длину туннелирования можно снизить до уровня ниже 4 нанометров. Это подтверждает теоретическую возможность масштабирования транзисторов далеко за пределы современных ожиданий индустрии.
Авторы исследования предложили новую стратегию проектирования, основанную на комбинации различных двумерных материалов. Такой подход позволит значительно повысить энергоэффективность чипов. Переход от эмпирических проб к прогнозируемому квантовому проектированию поможет разработчикам заранее оценивать архитектуру будущих процессоров, сокращая количество дорогостоящих экспериментальных итераций при разработке полупроводников нового поколения.
