Krzem od dziesięcioleci stanowi podstawowy materiał branży półprzewodników, jednak szybko zbliża się do swoich fizycznych granic. W miarę jak wymiary tranzystorów maleją do skali atomowej, konstrukcje oparte na krzemie napotykają fundamentalne ograniczenia zagrażające dalszej miniaturyzacji — a wraz z rosnącym globalnym popytem na moc obliczeniową, napędzanym ekspansją obciążeń AI i rozbudową centrów danych, presja na znalezienie wykonalnego materiału następczego nasiliła się w całej branży. Nowo opisany postęp zespołów TSMC i National Yang Ming Chiao Tung University (NYCU) wskazuje na potencjalną ścieżkę wyjścia poza te granice.

Zespół badawczy wytworzył tranzystor z bramką górną oparty na monowarstwie dwusiarczku molibdenu (MoS₂), zawierający epitaksjalną warstwę interfejsową o grubości zaledwie 0,42 nanometra. Dla porównania, pojedyncza nić ludzkiego DNA ma około 2,5 nanometra szerokości, co oznacza, że ta warstwa jest mniej więcej sześć razy cieńsza.

Obejście problemu rozpraszania elektronów i prądów upływu

Dwa praktyczne problemy od dawna utrudniały opracowanie funkcjonalnych tranzystorów 2D: rozpraszanie elektronów, polegające na tym, że nośniki ładunku odbijają się od niejednorodności na granicy materiałów, oraz prąd upływu, czyli przepływ prądu przez niezamierzone ścieżki. Zespół TSMC–NYCU rozwiązał oba zagadnienia, nanosząc ultracienką warstwę epitaksjalną aluminium na monowarstwę MoS₂ wyhodowaną metodą osadzania z fazy gazowej (CVD), a następnie utleniając aluminium w celu utworzenia warstwy buforowej z tlenku aluminium (Al₂O₃).

Na warstwie buforowej badacze nałożyli dielektryk bramkowy z tlenku hafnu o wysokiej stałej dielektrycznej (high-κ). Cały układ dielektryczny osiągnął równoważną grubość tlenku wynoszącą około 1 nanometr — wartość powszechnie uznawaną za krytyczny punkt odniesienia dla półprzewodnikowych urządzeń nowej generacji.

Wytworzone tranzystory wykazały niski prąd upływu i minimalną histerezę — zjawisko, w którym sygnał wyjściowy urządzenia pozostaje w tyle za sygnałem wejściowym. Urządzenia o długości kanału około 100 nanometrów osiągnęły maksymalną transkonduktancję 0,45 mS/μm. Transkonduktancja — miara tego, jak efektywnie tranzystor przekształca zmiany napięcia w zmiany prądu — jest kluczowym wskaźnikiem wydajności, a wyższe wartości oznaczają lepsze działanie.

Wyniki zostały opublikowane w Nature Electronics. Badaniami kierowała dr Iuliana Radu z TSMC Corporate Research, a współpracowali z nią profesorowie NYCU Wen-Hao Chang i Tsung-En Lee.

Dlaczego materiały 2D są istotne

Materiały dwuwymiarowe, takie jak MoS₂, stanowią obiecującą alternatywę w obliczu wyczerpywania się możliwości skalowania krzemu. International Roadmap for Devices and Systems (IRDS), organ branżowy prognozujący kierunki rozwoju technologii półprzewodników, wskazał materiały 2D jako czołowych kandydatów na węzły tranzystorowe wykraczające poza generację 2-nanometrową. Monowarstwa MoS₂ ma naturalnie grubość około 0,7 nanometra, co zapewnia jej ściślejszą kontrolę elektrostatyczną w ekstremalnie małych wymiarach, niż jest w stanie zaoferować krzem. Intel i Samsung również publicznie ujawnili programy badawcze ukierunkowane na tranzystory z kanałem 2D, co podkreśla, że jest to wysiłek ogólnobranżowy, a nie inicjatywa pojedynczej firmy.

Droga do wdrożenia przemysłowego

Co istotne, MoS₂ w tym badaniu zostało wyhodowane metodą osadzania z fazy gazowej (CVD) — techniką już stosowaną w skali przemysłowej. Etapy osadzania epitaksjalnego aluminium i utleniania również nie wymagają zasadniczo nowych kategorii sprzętu produkcyjnego, co może ułatwić przyszłą integrację na linii produkcyjnej.

Badania te wpisują się w szerszy trend branżowy zmierzający do wprowadzenia tranzystorów 2D do masowej produkcji. W czerwcu 2026 roku TSMC, imec i ASML ogłosiły wspólne prace nad integracją tranzystorów 2D na podłożach 300 mm — sygnał, że czołowi gracze infrastruktury półprzewodnikowej traktują tę klasę materiałów jako poważnego kandydata dla przyszłych węzłów technologicznych.