Il silicio è da decenni il materiale fondamentale dell'industria dei semiconduttori, ma si sta rapidamente avvicinando ai propri limiti fisici. Poiché le dimensioni dei transistor si riducono verso la scala atomica, i design basati sul silicio si trovano di fronte a vincoli fondamentali che minacciano ogni ulteriore miniaturizzazione — e con la domanda globale di calcolo in rapida crescita grazie all'espansione dei carichi di lavoro IA e alla costruzione di nuovi data center, la pressione per identificare un materiale successore viable è aumentata in tutta l'industria. Un nuovo risultato recentemente riportato da TSMC e dalla National Yang Ming Chiao Tung University (NYCU) indica una potenziale via d'accesso oltre tali limiti.

Il team di ricerca ha realizzato un transistor top-gate a monolayer di solfuro di molibdeno (MoS₂) con uno strato di interfaccia epitassiale spesso appena 0,42 nanometri. Per dare un termine di paragone, un singolo filamento di DNA umano è largo circa 2,5 nanometri, il che rende questo strato pari a circa un sesto di quella larghezza.

Superare la dispersione elettronica e le correnti di perdita

Due ostacoli pratici hanno a lungo impedito lo sviluppo di transistor 2D funzionanti: la dispersione elettronica, in cui i portatori di carica deviano a causa di imperfezioni all'interfaccia dei materiali, e la corrente di perdita, in cui l'elettricità scorre attraverso percorsi non previsti. Il team TSMC–NYCU ha affrontato entrambi i problemi depositando uno strato epitassiale ultramissile di alluminio su un monolayer di MoS₂ crescuto tramite deposizione chimica da vapore. Hanno quindi ossidato l'alluminio per formare un buffer di ossido di alluminio (Al₂O₃).

Sopra il buffer, i ricercatori hanno applicato un dielettrico di gate in ossido di afnio ad alto κ. Lo stack dielettrico combinato ha raggiunto uno spessore di ossido equivalente di circa 1 nanometro — considerato un parametro critico per i dispositivi a semiconduttore di nuova generazione.

I transistor realizzati hanno mostrato una bassa corrente di perdita e un'isteresi minima, il fenomeno in cui l'uscita di un dispositivo è in ritardo rispetto al segnale di ingresso. I dispositivi con lunghezze di canale di circa 100 nanometri hanno raggiunto una transconduttanza massima di 0,45 mS/μm. La transconduttanza — la misura di quanto efficientemente un transistor converte variazioni di tensione in variazioni di corrente — è un indicatore chiave delle prestazioni, con valori più alti che segnalano un funzionamento migliore.

I risultati sono stati pubblicati su Nature Electronics. La ricerca è stata guidata dalla Dr. Iuliana Radu di TSMC Corporate Research, insieme ai professori Wen-Hao Chang e Tsung-En Lee della NYCU.

Perché i materiali 2D sono importanti

I materiali bidimensionali come il MoS₂ rappresentano un'alternativa promettente man mano che il silicio esaurisce le sue possibilità di scaling. L'International Roadmap for Devices and Systems (IRDS), l'organismo di settore che prevede le direzioni della tecnologia dei semiconduttori, ha identificato i materiali 2D per canali come i candidati principali per i nodi di transistor oltre la generazione a 2 nanometri. Un monolayer di MoS₂ è naturalmente spesso circa 0,7 nanometri, il che gli conferisce un controllo elettrostatico intrinsecamente più stretto a dimensioni estremamente ridotte rispetto a quanto il silicio possa offrire. Anche Intel e Samsung hanno pubblicamente comunicato programmi di ricerca rivolti allo sviluppo di transistor con canali 2D, confermando che si tratta di uno sforzo intersettoriale e non dell'iniziativa di una singola azienda.

Verso l'adozione industriale

Un aspetto cruciale è che il MoS₂ utilizzato in questo studio è stato cresciuto tramite deposizione chimica da vapore, una tecnica già impiegata su scala industriale. Anche le fasi di deposizione e ossidazione dell'alluminio epitassiale non richiedono categorie fondamentalmente nuove di attrezzature di produzione, il che potrebbe agevolare una futura integrazione nelle linee di fabbricazione.

Il lavoro si inserisce in un più ampio fermento dell'industria per portare i transistor 2D nella produzione di massa. Nel giugno 2026, TSMC, imec e ASML hanno annunciato sforzi collaborativi per l'integrazione di transistor 2D su wafer da 300 mm — un segnale che i principali attori dell'infrastruttura dei semiconduttori considerano questa classe di materiali come un candidato serio per i futuri nodi di processo.