Кремний на протяжении десятилетий служит базовым материалом полупроводниковой промышленности, однако он стремительно приближается к физическим пределам. По мере того как размеры транзисторов сокращаются до атомарных масштабов, кремниевые конструкции сталкиваются с фундаментальными ограничениями, угрожающими дальнейшей миниатюризации, — а на фоне растущего мирового спроса на вычислительные мощности, обусловленного расширением ИИ-нагрузок и строительством центров обработки данных, давление в поисках жизнеспособного материала-преемника в отрасли усиливается. Новое исследование TSMC и Национального университета Ян Мин Чао Тун (NYCU) указывает на потенциальный выход за эти пределы.

Исследовательская группа создала транзистор с верхним затвором на основе монослоя дисульфида молибдена (MoS₂), включающий эпитаксиальный промежуточный слой толщиной всего 0,42 нанометра. Для сравнения: одна нить человеческой ДНК имеет ширину примерно 2,5 нанометра, то есть этот слой составляет приблизительно одну шестую от её ширины.

Решение проблемы рассеяния электронов и утечки тока

Два практических препятствия давно мешают созданию работоспособных 2D-транзисторов: рассеяние электронов, при котором носители заряда отклоняются от дефектов на границе раздела материалов, и ток утечки, при котором электричество протекает по нежелательным путям. Команда TSMC–NYCU решила обе проблемы, нанеся ультратонкий эпитаксиальный слой алюминия на монослой MoS₂, выращенный методом химического осаждения из газовой фазы. Затем алюминий был окислён с образованием буфера из оксида алюминия (Al₂O₃).

Поверх буфера исследователи нанесли высокодиэлектрический (high-κ) слой оксида гафния в качестве затворного диэлектрика. Комбинированный диэлектрический стек достиг эквивалентной толщины оксида приблизительно 1 нанометр — показателя, который широко рассматривается как критический ориентир для полупроводниковых устройств следующего поколения.

Созданные транзисторы продемонстрировали низкий ток утечки и минимальный гистерезис — явление, при котором выходной сигнал устройства отстаёт от входного. Устройства с длиной канала около 100 нанометров достигли максимальной крутизны характеристики 0,45 мСм/мкм. Крутизна характеристики — показатель того, насколько эффективно транзистор преобразует изменения напряжения в изменения тока — является ключевым индикатором производительности, где более высокие значения означают лучшую работу.

Результаты были опубликованы в Nature Electronics. Исследование возглавила доктор Иулиана Раду из TSMC Corporate Research совместно с профессорами NYCU Вэнь-Хао Чжаном и Цзун-Энь Ли.

Почему 2D-материалы имеют значение

Двумерные материалы, такие как MoS₂, представляют перспективную альтернативу по мере исчерпания возможностей масштабирования кремния. Международная дорожная карта по устройствам и системам (IRDS) — отраслевой орган, прогнозирующий направления развития полупроводниковых технологий, — определила 2D-канальные материалы как ведущих кандидатов для транзисторных норм за пределами 2-нанометрового поколения. Монослой MoS₂ имеет естественную толщину около 0,7 нанометра, что обеспечивает ему более жёсткий электростатический контроль при экстремально малых размерах по сравнению с кремнием. Intel и Samsung также публично представили исследовательские программы, нацеленные на создание транзисторов с 2D-каналом, что подтверждает: это общеотраслевая инициатива, а не усилия отдельной компании.

Путь к промышленному внедрению

Ключевым моментом является то, что MoS₂ в данном исследовании был выращен методом химического осаждения из газовой фазы — технологией, уже применяемой в промышленных масштабах. Этапы эпитаксиального осаждения алюминия и окисления также не требуют принципиально новых категорий производственного оборудования, что может облегчить последующую интеграцию на фабрике.

Данная работа согласуется с более широким отраслевым импульсом по выводу 2D-транзисторов в массовое производство. В июне 2026 года TSMC, imec и ASML объявили о совместных работах по интеграции 2D-транзисторов на пластинах диаметром 300 мм — сигнал о том, что ведущие игроки полупроводниковой инфраструктуры рассматривают этот класс материалов как серьёзного кандидата для будущих технологических норм.