Silicium is tientallen jaren lang het fundamentele materiaal van de halfgeleiderindustrie geweest, maar het nadert snel zijn fysische grenzen. Naarmate transistordimensies krimpen tot op atomaire schaal, staan op silicium gebaseerde ontwerpen voor fundamentele beperkingen die verdere miniaturisatie in de weg staan — en met een wereldwijd stijgende vraag naar rekenkracht als gevolg van de uitbreiding van AI-workloads en de opbouw van datacenters, is de druk om een levensvatbaar opvolgermateriaal te vinden binnen de hele industrie toegenomen. Een nieuw gerapporteerde doorbraak van TSMC en National Yang Ming Chiao Tung University (NYCU) wijst op een mogelijk pad buiten die grenzen.

Het onderzoeksteam vervaardigde een monolaag molybdeendisulfide (MoS₂)-topgeertransistor met een epitaxiale interfacelaag van slechts 0,42 nanometer dik. Ter vergelijking: een enkele streng menselijk DNA is ongeveer 2,5 nanometer breed, wat deze laag ruwweg een zesde van die breedte maakt.

Omgaan met elektronverstrooiing en lekstromen

Twee praktische obstakels hebben de ontwikkeling van werkende 2D-transistors lang belemmerd: elektronverstrooiing, waarbij ladingsdragers afbuigen bij onvolkomenheden aan het materiaaloppervlak, en lekstroom, waarbij elektriciteit via onbedoelde paden stroomt. Het TSMC–NYCU-team loste beide problemen op door een ultradunne epitaxiale aluminiumlaag aan te brengen op een monolaag MoS₂ die via chemische dampafzetting was gegroeid. Vervolgens oxideerden ze dat aluminium om een aluminiumoxide (Al₂O₃)-buffer te vormen.

Bovenop de buffer brachten de onderzoekers een high-κ hafniumoxide-poortdiëlektricum aan. De gecombineerde diëlektrische stack bereikte een equivalente oxidelaagdikte van ongeveer 1 nanometer — een waarde die breed wordt beschouwd als een kritieke benchmark voor halfgeleiders van de volgende generatie.

De vervaardigde transistors vertoonden een lage lekstroom en minimale hysteresis, het fenomeen waarbij de uitvoer van een component achter het invoersignaal aanloopt. Componenten met kanaallengtes van ruwweg 100 nanometer bereikten een maximale transconductantie van 0,45 mS/μm. Transconductantie — de maat voor hoe efficiënt een transistor spanningsveranderingen omzet in stroomveranderingen — is een belangrijke prestatie-indicator, waarbij hogere waarden duiden op betere werking.

De bevindingen werden gepubliceerd in Nature Electronics. Het onderzoek stond onder leiding van dr. Iuliana Radu van TSMC Corporate Research, samen met NYCU-professoren Wen-Hao Chang en Tsung-En Lee.

Waarom 2D-materialen ertoe doen

Tweedimensionale materialen zoals MoS₂ vormen een veelbelovend alternatief nu de schaalbaarheid van silicium aan het einde van zijn mogelijkheden raakt. De International Roadmap for Devices and Systems (IRDS), het industriële orgaan dat de technologische richting van halfgeleiders voorspelt, heeft 2D-kanaalmaterialen aangemerkt als belangrijkste kandidaten voor transistorknooppunten voorbij de 2-nanometer-generatie. Een monolaag MoS₂ is van nature ongeveer 0,7 nanometer dik, wat inherent een strakkere elektrostatische controle mogelijk maakt bij extreem kleine dimensies dan silicium kan bieden. Intel en Samsung hebben eveneens publiekelijk onderzoeksprogramma's bekendgemaakt die zich richten op 2D-kanaaltransistors, wat onderstreept dat dit een bredere industriële inspanning is in plaats van het streven van één enkel bedrijf.

Pad naar industriële toepassing

Cruciaal is dat de MoS₂ in deze studie werd gegroeid met behulp van chemische dampafzetting, een techniek die al op industriële schaal wordt ingezet. De epitaxiale aluminiumafzetting en oxidatiestappen vereisen evenmin fundamenteel nieuwe categorieën productieapparatuur, wat een uiteindelijke integratie in de fabricagelijn zou kunnen vergemakkelijken.

Het werk sluit aan bij bredere industriële momentum om 2D-transistors in massaproductie te brengen. In juni 2026 kondigden TSMC, imec en ASML gezamenlijke inspanningen aan op het gebied van 300 mm 2D-transistorintegratie — een signaal dat de toonaangevende spelers in de halfgeleiderinfrastructuur deze materiaalklasse beschouwen als een serieuze kandidaat voor toekomstige procesknooppunten.