Pasukan Korea Membina Komponen Transistor dengan Menggantikan Atom dalam Filem Ultra Nipis

Langkah 0.7 nanometer ke arah suis elektronik yang lebih kecil

Penyelidik Korea Selatan telah mencipta komponen utama transistor di dalam satu filem nipis dengan menggantikan atom terpilih, sekali gus mencapai kawalan arus yang hampir kepada had teori bagi transistor konvensional pada suhu bilik. Teknik ini berfungsi dalam lapisan setebal kira-kira 0.7 nanometer dan berpotensi memudahkan pembinaan peranti elektronik yang amat kecil.

Pasukan yang diketuai Cho Moon-ho, pengarah Pusat Pepejal Kuantum Van der Waals di Institut Sains Asas dan profesor cemerlang di Universiti Sains dan Teknologi Pohang, memulakan kajian dengan tungsten diselenida. Dengan menggantikan atom seleniumnya menggunakan oksigen, sulfur atau telurium, penyelidik menghasilkan bahagian yang menebat, mengalirkan arus atau membantu arus memasuki semikonduktor.

Transistor yang terhasil memerlukan perubahan voltan get sebanyak 61.3 milivolt untuk meningkatkan arus sepuluh kali ganda, berbanding nilai minimum teori kira-kira 60 milivolt pada suhu bilik. Arusnya ketika dihidupkan melebihi 10 juta kali arus ketika dimatikan.

Penyelidik turut membina litar kecil daripada transistor yang disusun menegak, yang menyongsangkan isyarat elektrik pada 1 volt. Secara bersama, hasil ini menghubungkan kawalan tepat ke atas lapisan bahan individu dengan litar yang berfungsi, sementara peluasan kepada pembuatan semikonduktor kekal sebagai tugas utama seterusnya.

Mengapa bahan ini sukar dipasang

Transistor ialah suis yang dikawal secara elektrik. Ia memerlukan saluran semikonduktor yang dilalui arus, lapisan penebat yang membolehkan get mengawal saluran itu, serta elektrod yang menghubungkan peranti dengan bahagian lain litar. Setiap bahagian mempunyai fungsi berbeza, maka penting untuk memastikan sempadan antara bahagian berfungsi dengan baik.

Semikonduktor yang digambarkan sebagai dua dimensi masih berguna walaupun hanya setebal beberapa lapisan atom. Namun, permukaannya tidak mudah membentuk ikatan kimia dengan bahan lain. Ini menyukarkan lapisan penebat disalut secara sekata padanya. Memasang elektrod logam secara terus juga boleh merosakkan permukaan sentuhan atau menghasilkan rintangan elektrik yang menyekat arus.

Mengalihkan filem yang disediakan secara berasingan ke tempatnya dan menyusunnya merupakan satu lagi pendekatan, tetapi menambah langkah pembuatan. Sebaliknya, pasukan Korea itu mencipta beberapa bahan yang diperlukan di dalam filem asal, sekali gus mengurangkan keperluan untuk mencantumkan filem yang berlainan.

Tiga atom pengganti, tiga fungsi berbeza

Tungsten diselenida, yang ditulis sebagai WSe2, mempunyai lapisan atom tungsten di antara atom selenium di atas dan di bawahnya. Penyelidik mengekalkan tungsten sambil menggantikan selenium secara terpilih. Perubahan pada atom sekeliling mengubah sifat elektrik setiap bahagian yang dirawat.

Oksigen menghasilkan tungsten oksida, iaitu penebat. Sulfur menghasilkan tungsten disulfida, iaitu semikonduktor jenis-n. Telurium menghasilkan tungsten ditelurida, iaitu semilogam konduktif yang digunakan pada sambungan antara elektrod logam dengan semikonduktor.

• Tungsten diselenida yang tidak ditukar membentuk bahagian semikonduktor jenis-p.
• Tungsten oksida menyediakan penebat elektrik untuk kawalan get.
• Tungsten disulfida membekalkan semikonduktor jenis-n untuk peranti pelengkap.
• Tungsten ditelurida membantu cas bergerak antara elektrod dengan semikonduktor.

Istilah jenis-p dan jenis-n menerangkan cara cas elektrik bergerak melalui semikonduktor. Dalam bahan jenis-n, elektron membawa arus. Dalam bahan jenis-p, arus diterangkan melalui pergerakan lohong, iaitu kekosongan bercas positif yang tertinggal apabila elektron tiada. Kedua-dua jenis diperlukan untuk litar pelengkap yang ditunjukkan oleh pasukan itu.

Bagaimana pasukan memilih lapisan dan lokasi

Suhu dan tekanan gas tindak balas membolehkan penyelidik mengawal sejauh mana perubahan kimia meresap ke dalam filem. Mereka menggunakan ruang halus antara lapisan bahan sebagai penghalang yang mengehadkan pergerakan atom yang bertindak balas, sekali gus membantu menghalang penukaran daripada merebak ke lapisan seterusnya.

Setiap langkah terkawal melibatkan lapisan atom setebal kira-kira 0.7 nanometer. Satu nanometer bersamaan satu bilion meter. Angka ini merujuk kepada ketebalan lapisan bahan yang ditukar; kaedah fabrikasi itu turut memerlukan kawalan terhadap lokasi penukaran pada permukaan.

Topeng pemprosesan semikonduktor menyediakan jenis kawalan kedua itu. Seperti pelindung bercorak tepat, topeng mendedahkan bahagian terpilih sambil melindungi bahagian lain. Gabungan topeng dengan kawalan kedalaman tindak balas membolehkan penyelidik membentuk bahan berlainan pada lokasi dan lapisan terpilih dalam satu filem.

Penghalang lebih rendah pada laluan masuk arus

Bahagian sentuhan tungsten ditelurida menangani masalah yang berbeza daripada pensuisan transistor, iaitu memasukkan cas ke dalam semikonduktor dengan cekap. Saluran yang bertindak balas dengan baik terhadap get sekalipun boleh berprestasi lemah jika sambungan elektriknya menyukarkan pemindahan cas.

Penyelidik mengukur penghalang tenaga sebanyak 35.5 milielectronvolt pada sambungan elektrod dengan semikonduktor. Mereka menyifatkannya sebagai kira-kira satu pertiga daripada penghalang yang wujud apabila elektrod logam dipasang secara terus. Penghalang tenaga ialah halangan yang perlu diatasi oleh pembawa cas ketika bergerak antara bahan.

Jika dinyatakan sebagai perbandingan, pengurangan penghalang kepada satu pertiga bermaksud nilainya kira-kira 67 peratus lebih rendah. Peningkatan yang diukur itu melibatkan pemindahan cas pada sentuhan. Penggunaan kuasa bagi litar lengkap turut bergantung pada voltan operasi, arus bocor dan aktiviti pensuisannya.

Pensuisan menghampiri had pada suhu bilik

Bacaan 61.3 milivolt bagi transistor itu menerangkan ketajaman pensuisannya apabila voltan get berubah. Jurutera menamakan ukuran ini ayunan subambang: perubahan voltan get yang diperlukan untuk mengubah arus sebanyak faktor sepuluh ketika peranti beralih ke keadaan mengalirkan arus.

Nilai yang lebih kecil bermakna pelarasan voltan yang lebih kecil menghasilkan perubahan arus yang besar. Berbanding had anggaran 60 milivolt pada suhu bilik bagi operasi transistor konvensional, nilai yang diukur hanya 1.3 milivolt lebih tinggi, atau kira-kira 2.2 peratus melebihi penanda aras itu.

Nisbah antara arus dalam keadaan hidup dengan keadaan mati melebihi 10 juta kepada satu. Ukuran ini menunjukkan sejauh mana peranti membezakan keadaan mengalirkan arus daripada keadaan tidak mengalirkan arus. Arus yang rendah dalam keadaan mati penting kerana kebocoran elektrik melalui transistor yang tidak aktif membazirkan tenaga.

Penghalang sentuhan, tindak balas pensuisan dan nisbah arus menggambarkan tiga aspek prestasi peranti yang saling berkaitan. Sentuhan membantu cas masuk, get mengawal laluannya, dan perbezaan antara arus hidup dengan arus mati menunjukkan keberkesanan transistor berfungsi sebagai suis.

Penebat yang membolehkan get mengawal dengan rapat

Bahagian tungsten oksida berfungsi sebagai lapisan penebat. Lapisan ini perlu mengasingkan get secara elektrik daripada saluran sambil membolehkan medan elektrik get mengawal arus. Menghasilkannya dengan menukar sebahagian bahan asal menangani kesukaran menyapu salutan sekata pada semikonduktor dua dimensi.

Pasukan itu menyatakan penebat mereka memenuhi sasaran Pelan Hala Tuju Antarabangsa bagi Peranti dan Sistem, iaitu ketebalan oksida setara 1 nanometer atau kurang. Ketebalan oksida setara, lazimnya disingkatkan sebagai EOT, menggambarkan prestasi elektrik penebat sebagai ketebalan lapisan silikon dioksida rujukan yang mempunyai kemuatan sama.

Oleh itu, EOT menerangkan tingkah laku elektrik dan bukannya ketebalan fizikal bahan semata-mata. Penyelidik dipetik menyatakan EOT kurang daripada 1 nanometer; keterangan angka yang diterbitkan turut menyebut 0.3 hingga 0.4 nanometer dan kira-kira 1 nanometer. Nilai tepatnya tidak dapat dipastikan daripada keterangan tersebut, namun semuanya meletakkan penebat itu pada atau dalam sasaran pelan hala tuju berkenaan.

Litar bertindan beroperasi pada 1 volt

Penyelidik melangkaui ujian transistor tunggal dengan menyusun transistor jenis-p dan transistor jenis-n secara menegak untuk membentuk penyongsang pelengkap. Penyongsang ialah litar digital asas: input tinggi menghasilkan output rendah, manakala input rendah menghasilkan output tinggi.

Litar itu menyongsangkan isyarat pada voltan operasi 1 volt. Pembinaannya memerlukan semikonduktor daripada jenis berlainan berfungsi bersama, sekali gus menghubungkan kaedah penukaran bahan dengan fungsi asas yang digunakan dalam elektronik digital.

Pembinaan menegak juga mengaitkan eksperimen itu dengan rancangan pasukan untuk litar bersepadu tiga dimensi. Menyusun peranti di atas satu sama lain membuka laluan untuk menempatkan lebih banyak litar pada keluasan permukaan yang sama, dengan syarat bahan dan pemprosesan dapat dikawal di seluruh tindanan.

Cho, pengarah pusat IBS dan profesor cemerlang POSTECH, menerangkan hubungan antara teknik bahan dengan fabrikasi peranti:

Kajian ini mengintegrasikan teknik asas sains bahan bagi manipulasi bahan pada skala atom dengan teknologi semikonduktor moden,

Penerbitan dan langkah ke arah wafer yang lebih besar

Kertas penyelidikan itu bertajuk MOSFET van der Waals modular melalui penggantian kalkogen lapisan demi lapisan. MOSFET ialah nama bagi keluarga transistor yang digunakan secara meluas dan dikawal oleh get berpenebat. Kalkogen ialah keluarga kimia yang merangkumi oksigen, sulfur, selenium dan telurium, iaitu unsur-unsur utama dalam penggantian tersebut.

Tarikh pengumuman dan penerbitan dinyatakan seperti berikut:

• 15 Oktober 2026: Kementerian Sains dan ICT dilaporkan mengumumkan penyelidikan transistor modular itu.
• 16 Oktober 2026, pukul 3 pagi Waktu Piawai Korea: Kementerian menyatakan penerbitan dalam jurnal Science pada waktu ini. Keterangan lain menyebut pengumuman kepada umum dibuat pada 16 Oktober.

Peringkat seterusnya ialah menggunakan kaedah itu pada semikonduktor dua dimensi yang lain dan memperluasnya ke seluruh wafer, iaitu substrat lebar yang digunakan untuk menghasilkan banyak peranti semikonduktor secara serentak. Penggantian atom yang sekata dan boleh diulang merentasi permukaan itu merupakan syarat bagi kegunaan industri. Tiada garis masa untuk pelaksanaan dalam pembuatan diberikan.

Perubahan praktikal yang diusahakan pasukan itu adalah khusus: menghasilkan bahan berguna di tempatnya, bukannya berulang kali memindahkan dan mencantumkan filem berasingan. Pada skala lebih besar, pendekatan itu boleh mengurangkan kerumitan pemasangan sambil mengekalkan kawalan get yang rapat dan sentuhan yang dipertingkatkan, seperti yang diukur pada peranti eksperimen.

Kim Seong-su, pengarah Pejabat Dasar R&D Kementerian Sains dan ICT, berkata kerajaan akan terus menyokong penyelidikan asas dan asas kukuh supaya teknologi asli dapat menyumbang kepada daya saing industri Korea Selatan. Kajian seterusnya oleh penyelidik akan menumpukan pada kawasan pemprosesan yang lebih luas, bahan tambahan dan litar bersepadu bertindan.

Perkara Utama

• Pasukan Korea membentuk komponen utama transistor dengan menggantikan atom selenium secara terpilih dalam tungsten diselenida.
• Suhu, tekanan gas dan topeng mengawal penukaran pada lapisan setebal kira-kira 0.7 nanometer serta di lokasi permukaan terpilih.
• Penghalang tenaga pada sentuhan turun kepada 35.5 milielectronvolt, kira-kira satu pertiga daripada nilainya apabila menggunakan sentuhan logam secara terus.
• Perubahan voltan get sebanyak 61.3 milivolt meningkatkan arus sepuluh kali ganda, hampir kepada had anggaran 60 milivolt pada suhu bilik.
• Nisbah arus antara keadaan hidup dengan keadaan mati melebihi 10 juta kepada satu.
• Penyongsang pelengkap bertindan menegak menyongsangkan isyarat pada 1 volt.
• Pemprosesan seragam merentasi wafer semikonduktor ialah syarat seterusnya bagi aplikasi industri.