När konventionell kiselbaserad halvledarteknologi närmar sig sina fysiska gränser, påskyndar den globala halvledarindustrin sin sökning efter nästa generations material som kan förlänga Moores lag. Tvådimensionella halvledare såsom molybden disulfid (MoS₂), som kan vara så tunna som ett enda atomlager—ungefär 0,7 nanometer—anses vara lovande kandidater för bearbetningsnoder under 1 nanometer. Deras praktiska användning möter dock en bestående utmaning: att deponera en portdielektrik på materialet kan skapa defekter vid gränssnittet mellan den ultratunna isolatorn och halvledaren, vilket ökar elektronernas spridning, minskar bärarmobilitet och försämrar transistorprestanda.
För att ta itu med denna långvariga gränssnittsutmaning utvecklade forskare från TSMCs Corporate Research-avdelning och National Yang Ming Chiao Tung University en metod som kallas "epitaxial gränssnittsengineering." Forskningen publicerades i Nature Electronics i juli 2026.
Istället för att utveckla en ny halvledare eller portdielektrik, omdesignade forskarteamet gränssnittet mellan de två materialen på atomnivå. Med hjälp av ultrahög vakuumteknik deponerade teamet noggrant ett ultratunt lager av metalliskt aluminium på ett monolager av MoS₂. Aluminiumet oxiderades sedan för att bilda ett aluminiumoxidlager som är ungefär 0,42 nanometer tjockt. Detta atomärt tunna lager fungerade som en högkvalitativ bufferyta, ovanpå vilken forskarna deponerade hafniumoxid, ett hög-k material som används som den funktionella portdielektriken.
Tekniken för gränssnittsengineering på atomnivå ger två fördelar. Aluminiumoxidbuffertlagret övervinner deponeringens svårigheter orsakade av avsaknaden av hängande bindningar på MoS₂-ytan, vilket ger en jämn och kontinuerlig tillväxtyta för hafniumoxidfilmen. Det fungerar också som ett isoleringslager som minskar laddningsinteraktioner och gitter-spänningseffekter mellan den hög-k dielektrik och den tvådimensionella halvledaren, vilket betydligt sänker gränssnittinducerad elektronspredning.
Med hjälp av denna teknik tillverkade forskarna högpresterande top-gate-transistorer baserade på våffelskala monolager MoS₂ som odlades genom kemisk ångdeponering. Testresultaten visade en motsvarande oxidtjocklek på ungefär 1 nanometer, vilket uppfyller de strikta skalningskraven för portdielektrik i avancerade halvledarprocesser. Enheterna visade också ledande transkonduktansprestanda vid extremt små dimensioner, med ett toppvärde på 0,45 mS/μm, tillsammans med mycket låg läckström och stark driftsstabilitet.
Studien markerar den första demonstrationen av stora atomärt tunna enheter som kombinerar aggressiv skalning av portdielektrik, stark elektrostatiskt kontroll och hög bärarmobilitet. Tekniken etablerar en plattform som kan tillämpas på flera tvådimensionella halvledarmaterial. Den kan så småningom integreras med befintliga halvledartillverkningsprocesser och stödja utvecklingen av post-silikon chipteknologier.