Gumawa ang pangkat ng mga Koreanong mananaliksik ng mga bahagi ng transistor sa pamamagitan ng pagpapalit ng mga atom sa isang napakanipis na pelikula

Hakbang na 0.7 nanometer tungo sa mas maliliit na elektronikong switch

Nakalikha ang mga mananaliksik sa South Korea ng mga pangunahing bahagi ng transistor sa loob ng iisang manipis na pelikula sa pamamagitan ng pagpapalit sa piling mga atom. Dahil dito, nakamit nila ang pagkontrol sa kuryenteng malapit sa teoretikal na hangganan para sa mga nakasanayang transistor sa temperatura ng silid. Gumagana ang pamamaraan sa mga suson na may kapal na humigit-kumulang 0.7 nanometer at maaari nitong pasimplehin ang paggawa ng napakaliit na elektronikong aparato.

Pinangunahan ni Cho Moon-ho ang pangkat. Siya ang direktor ng Center for Van der Waals Quantum Solids ng Institute for Basic Science at isang natatanging propesor sa Pohang University of Science and Technology. Nagsimula ang pangkat sa tungsten diselenide. Sa pagpapalit ng mga selenium atom nito ng oxygen, sulfur o tellurium, nakalikha ang mga mananaliksik ng mga bahaging nag-iinsulate, nagdadala ng kuryente, o tumutulong sa pagpasok ng kuryente sa semiconductor.

Kailangan ng nabuong transistor ng pagbabago sa boltahe ng gate na 61.3 millivolt upang tumaas nang sampung ulit ang kuryente. Kumpara ito sa teoretikal na minimum na humigit-kumulang 60 millivolt sa temperatura ng silid. Mahigit 10 milyon ulit ang kuryente nito kapag nakabukas kaysa kapag nakapatay.

Bumuo rin ang mga mananaliksik ng maliit na sirkito mula sa mga transistor na pinatong nang patayo, na nagpabaligtad ng signal na elektrikal sa 1 volt. Pinag-uugnay ng mga resultang ito ang tumpak na pagkontrol sa mga indibidwal na suson ng materyal at ang isang gumaganang sirkito, habang nananatiling susunod na malaking hamon ang pagpapalawak nito para sa paggawa ng semiconductor.

Bakit mahirap buuin ang mga materyal na ito

Ang transistor ay switch na kinokontrol ng kuryente. Kailangan nito ng semiconductor channel na dinadaluyan ng kuryente, insulating layer na nagbibigay-daan sa gate na kontrolin ang channel, at mga electrode na nag-uugnay sa aparato sa iba pang bahagi ng sirkito. Magkakaiba ang tungkulin ng bawat bahagi, kaya mahalagang maayos ang mga hangganan sa pagitan ng mga ito.

Kapaki-pakinabang pa rin ang mga semiconductor na inilalarawang two-dimensional kahit ilang suson lamang ng atom ang kapal ng mga ito. Gayunman, hindi madaling bumuo ng mga chemical bond ang mga ibabaw ng mga ito sa ibang materyal. Dahil dito, mahirap balutan ang mga ito nang pantay ng insulating film. Maaari ring masira ang ibabaw ng contact kapag direktang ikinabit ang mga metal electrode, o magkaroon ng electrical resistance na pumipigil sa daloy ng kuryente.

Isa pang paraan ang paglipat at pagpapatong ng magkakahiwalay na inihandang pelikula, ngunit nagdaragdag ito ng mga hakbang sa paggawa. Sa halip, nilikha ng pangkat Koreano ang ilan sa mga kinakailangang materyal sa loob mismo ng panimulang pelikula, kaya nabawasan ang pangangailangang pagdugtungin ang magkakaibang pelikula.

Tatlong uri ng atom na ipinamalit, tatlong magkaibang tungkulin

Ang tungsten diselenide, na isinusulat bilang WSe2, ay may suson ng mga atom ng tungsten sa pagitan ng mga atom ng selenium sa itaas at ibaba. Pinanatili ng mga mananaliksik ang tungsten habang piling pinapalitan ang selenium. Binago ng pagpapalit sa mga nakapaligid na atom ang elektrikal na asal ng bawat bahaging ginamot.

Bumuo ang oxygen ng tungsten oxide, isang insulator. Bumuo ang sulfur ng tungsten disulfide, isang n-type na semiconductor. Bumuo naman ang tellurium ng tungsten ditelluride, isang conductive semimetal na ginamit sa dugtungan ng metal electrode at semiconductor.

• Nagsilbing rehiyong p-type semiconductor ang tungsten diselenide na hindi binago.
• Nagbigay ang tungsten oxide ng electrical insulation para makontrol ng gate.
• Nagbigay ang tungsten disulfide ng n-type na semiconductor para sa mga komplementaryong aparato.
• Tumulong ang tungsten ditelluride sa pagdaloy ng karga sa pagitan ng electrode at semiconductor.

Inilalarawan ng mga katawagang p-type at n-type kung paano dumadaloy ang kargang elektrikal sa isang semiconductor. Sa n-type na materyal, mga electron ang nagdadala ng kuryente. Sa p-type na materyal, inilalarawan ang kuryente bilang paggalaw ng mga butas (hole), ang mga puwang na may positibong karga na naiiwan kapag nawawala ang mga electron. Kailangan ang dalawang uri para sa komplementaryong sirkito na ipinakita ng pangkat.

Paano pinili ng pangkat ang suson at lokasyon

Sa pamamagitan ng pagkontrol sa temperatura at presyon ng reaction gas, nakontrol ng mga mananaliksik kung gaano kalalim tumagos sa pelikula ang mga pagbabagong kemikal. Ginamit nila ang maliliit na puwang sa pagitan ng mga suson ng materyal bilang harang na naglimita sa paggalaw ng mga atom na nagrereaksiyon. Nakatulong ito upang hindi kumalat ang pagbabago papunta sa susunod na suson.

Tumutugma ang bawat kontroladong hakbang sa isang suson ng atom na may kapal na humigit-kumulang 0.7 nanometer. Ang nanometer ay isang bilyon lamang ng isang metro. Inilalarawan ng sukat na ito ang kapal ng suson ng materyal na binabago; kinailangan din ng paraan ng paggawa na kontrolin kung saan naganap ang pagbabago sa ibabaw.

Nagbigay ang mga maskara sa pagproseso ng semiconductor ng ikalawang uri ng kontrol na ito. Gaya ng takip na may tumpak na disenyo, inilalantad ng maskara ang mga piling bahagi habang pinoprotektahan ang iba. Sa pagsasama ng mga maskara at pagkontrol sa lalim ng reaksiyon, nakabuo ang mga mananaliksik ng magkakaibang materyal sa mga piniling lokasyon at suson sa loob ng iisang pelikula.

Mas mababang hadlang sa pagpasok ng kuryente

Tinutugunan ng contact region na tungsten ditelluride ang ibang problema kaysa sa pagpapagana at pagpatay sa transistor: ang mahusay na pagpasok ng karga sa semiconductor. Kahit mahusay tumugon sa gate ang isang channel, maaari pa rin itong hindi gumana nang maayos kung hinahadlangan ng mga koneksiyong elektrikal nito ang paglipat ng karga.

Sinukat ng mga mananaliksik ang energy barrier na 35.5 millielectronvolt sa dugtungan ng electrode at semiconductor. Ayon sa kanila, humigit-kumulang isang katlo ito ng hadlang kapag direktang ikinabit ang metal electrode. Ang energy barrier ay sagabal na kailangang malampasan ng mga carrier ng karga sa pagtawid sa pagitan ng mga materyal.

Kung ihahambing, ang hadlang na nabawasan sa isang katlo ay humigit-kumulang 67 porsiyentong mas mababa. May kinalaman ang nasukat na pagbuti sa paglipat ng karga sa contact. Nakadepende rin ang konsumo ng kuryente ng buong sirkito sa boltahe nito sa pagpapatakbo, leakage current at aktibidad sa pagpapalit ng estado.

Pagpapalit ng estado na malapit sa hangganan sa temperatura ng silid

Inilalarawan ng sukat na 61.3 millivolt ng transistor kung gaano kabilis itong nagpapalit ng estado habang nagbabago ang boltahe ng gate. Tinatawag ito ng mga inhinyero na subthreshold swing: ang pagbabago sa boltahe ng gate na kailangan upang magbago nang sampung ulit ang kuryente habang papunta ang aparato sa kondaktibong estado.

Kapag mas maliit ang sukat, mas maliit na pagbabago sa boltahe ang nagdudulot ng malaking pagbabago sa kuryente. Kung ihahambing sa tinatayang hangganang 60 millivolt sa temperatura ng silid para sa pagpapatakbo ng nakasanayang transistor, 1.3 millivolt lamang na mas mataas ang nasukat na halaga, o humigit-kumulang 2.2 porsiyentong lampas sa batayang iyon.

Mahigit 10 milyon sa isa ang ratio ng kuryente sa nakabukas at nakapatay na estado. Sinusukat nito kung gaano kahusay pinag-iiba ng aparato ang kondaktibo at di-kondaktibong estado nito. Mahalaga ang mababang kuryente kapag nakapatay dahil nagsasayang ng enerhiya ang kuryenteng tumatagas sa mga transistor na hindi ginagamit.

Inilalarawan ng contact barrier, tugon sa pagpapalit ng estado at ratio ng kuryente ang magkakaugnay na bahagi ng pagganap ng aparato. Tinutulungan ng contact na makapasok ang karga, kinokontrol ng gate ang pagdaloy nito, at ipinapakita ng agwat sa kuryente ng nakabukas at nakapatay na estado kung gaano kahusay gumaganap na switch ang transistor.

Insulasyong nagbibigay sa gate ng mas malapit na kontrol

Nagsilbing insulating layer ang bahagi ng tungsten oxide. Kailangang ihiwalay ng susong ito ang gate sa channel sa aspektong elektrikal, habang hinahayaang kontrolin ng electric field ng gate ang kuryente. Tinutugunan ng paglikha nito sa pamamagitan ng pagpapalit sa bahagi ng panimulang materyal ang hamon ng paglalagay ng pantay na patong sa two-dimensional na semiconductor.

Ayon sa pangkat, pasok ang kanilang insulasyon sa target ng International Roadmap for Devices and Systems na katumbas na kapal ng oxide na 1 nanometer o mas mababa. Inilalarawan ng katumbas na kapal ng oxide (equivalent oxide thickness o EOT) ang elektrikal na pagganap ng insulator bilang kapal ng isang batayang suson ng silicon dioxide na may kaparehong capacitance.

Samakatuwid, inilalarawan ng EOT ang asal nito sa aspektong elektrikal, hindi lamang ang pisikal na kapal ng materyal. Sinipi ang mga mananaliksik na nagsasabing mas mababa sa 1 nanometer ang EOT; kasama rin sa mga inilathalang numerikal na paglalarawan ang 0.3 hanggang 0.4 nanometer at humigit-kumulang 1 nanometer. Hindi malinaw sa mga paglalarawang iyon ang eksaktong halaga, ngunit nasa target ng roadmap o mas mababa rito ang insulasyon ayon sa lahat ng ito.

Pinatakbo sa 1 volt ang isang nakasalansang sirkito

Hindi lamang iisang transistor ang sinubok ng mga mananaliksik. Pinatong nila nang patayo ang p-type at n-type na transistor upang makabuo ng komplementaryong inverter. Pangunahing digital na sirkito ang inverter: nagiging mababa ang output kapag mataas ang input, at nagiging mataas ang output kapag mababa ang input.

Nagbaligtad ng mga signal ang sirkito sa boltahe ng pagpapatakbong 1 volt. Kinailangan dito na magtulungan ang magkakaibang uri ng semiconductor, kaya iniugnay nito ang paraan ng pagpapalit ng materyal sa isang pangunahing tungkuling ginagamit sa digital electronics.

Iniuugnay rin ng patayong pagkakagawa ang eksperimento sa mga plano ng pangkat para sa three-dimensional integrated circuit. Nagbibigay ng paraan ang pagsasaayos ng mga aparato nang patong-patong upang makapaglagay ng mas maraming sirkito sa parehong lawak ng ibabaw, kung makokontrol ang mga materyal at pagproseso sa buong salansan.

Inilarawan ni Cho, direktor ng sentro ng IBS at natatanging propesor sa POSTECH, ang ugnayan ng pamamaraan sa materyal at paggawa ng aparato:

Pinagsasama ng pag-aaral na ito ang isang pangunahing pamamaraan sa agham ng materyales na gumagamit ng manipulasyon sa materyal sa antas ng atom sa makabagong teknolohiya ng semiconductor,

Paglalathala at hakbang tungo sa mas malalaking wafer

Modular van der Waals MOSFETs through layer-by-layer chalcogen substitutions ang pamagat ng papel-pananaliksik. Ang MOSFET ay tawag sa malawakang ginagamit na pamilya ng mga transistor na kinokontrol ng insulated gate. Ang chalcogen ay pangkat ng mga elementong kinabibilangan ng oxygen, sulfur, selenium at tellurium, ang mga elementong mahalaga sa mga pagpapalit.

Ganito inilarawan ang mga petsa ng anunsiyo at paglalathala:

• Oktubre 15, 2026: Inilarawang nag-anunsiyo ang Ministry of Science and ICT tungkol sa pananaliksik sa modular transistor.
• Oktubre 16, 2026, alas-3 ng madaling-araw sa oras ng Korea: Itinakda ng ministeryo ang paglalathala sa Science sa oras na ito. Sa ibang paglalarawan, Oktubre 16 ang petsa ng pampublikong anunsiyo.

Ang susunod na hakbang ay ilapat ang pamamaraan sa iba pang two-dimensional na semiconductor at palawakin ito sa mga wafer, ang malalawak na substrate na ginagamit sa sabayang paggawa ng maraming aparatong semiconductor. Kailangan para sa industriyal na paggamit ang pare-pareho at nauulit na pagpapalit ng atom sa mga ibabaw na ito. Walang ibinigay na iskedyul para sa pagsisimula ng produksiyon.

Tiyak ang praktikal na pagbabagong nilalayon ng pangkat: lumikha ng mga kapaki-pakinabang na materyal sa mismong kinalalagyan ng mga ito sa halip na paulit-ulit na maglipat at magdugtong ng magkakahiwalay na pelikula. Kapag pinalawak ito, maaari nitong bawasan ang pagiging komplikado ng pagbuo habang napapanatili ang malapit na kontrol ng gate at pinahusay na mga contact na nasukat sa mga aparatong sinubukan.

Ayon kay Kim Seong-su, direktor ng R&D Policy Office ng Ministry of Science and ICT, patuloy na susuportahan ng pamahalaan ang batayan at pundamental na pananaliksik upang makatulong ang mga orihinal na teknolohiya sa kakayahang makipagkumpitensya ng industriya ng South Korea. Magtutuon ang susunod na gawain ng mga mananaliksik sa mas malalaking lugar ng pagproseso, karagdagang materyal at mga nakasalansang integrated circuit.

Mahahalagang Punto

• Bumuo ang pangkat Koreano ng mahahalagang bahagi ng transistor sa pamamagitan ng piling pagpapalit sa mga selenium atom sa tungsten diselenide.
• Kinontrol ng temperatura, presyon ng gas at mga maskara ang pagbabago sa mga suson na may kapal na humigit-kumulang 0.7 nanometer at sa mga piling lokasyon sa ibabaw.
• Bumaba sa 35.5 millielectronvolt ang energy barrier sa contact, o humigit-kumulang isang katlo ng halaga kapag direktang metal ang contact.
• Nagdulot ng sampung ulit na pagtaas sa kuryente ang pagbabago sa boltahe ng gate na 61.3 millivolt, malapit sa tinatayang hangganang 60 millivolt sa temperatura ng silid.
• Mahigit 10 milyon sa isa ang ratio ng kuryente sa nakabukas at nakapatay na estado.
• Nagbaligtad ng mga signal sa 1 volt ang isang komplementaryong inverter na nakasalansan nang patayo.
• Ang pare-parehong pagproseso sa mga wafer ng semiconductor ang susunod na kailangan para sa industriyal na aplikasyon.