Квантовый рубеж миниатюризации транзисторов 21.06.2026

Исследователи из Корейского передового института науки и технологий (KAIST) представили новую методику атомарно-точных расчетов, которая дает количественный ответ на этот вопрос. Они разработали подход, позволяющий заранее предсказывать, при каких размерах квантовое туннелирование начнет вызывать неконтролируемый рост токов утечки и сделает транзистор неработоспособным. Вместо слепого экспериментирования с образцами методика предлагает инженерам осознанный инструмент проектирования, основанный на фундаментальных законах квантовой физики.

В основе расчетов лежит усовершенствованная версия теории функционала плотности - мощного метода, который уже давно успешно применяется для моделирования электронных структур молекул и материалов. Ученые расширили ее возможности специальным вычислительным фреймворком, который детально описывает сложные квантовые процессы именно на границе между металлическим электродом и полупроводниковым каналом. Такой подход особенно ценен сейчас, когда реальные размеры транзисторных структур вплотную приближаются к атомарным масштабам и классические модели перестают работать.

Главная трудность дальнейшего уменьшения транзисторов связана с квантовым туннелированием. При слишком малых размерах электроны начинают "просачиваться" сквозь энергетические барьеры, которые в привычной классической физике должны были бы их надежно останавливать. В результате растут паразитные токи утечки, ухудшается управление током между истоком и стоком, падает соотношение токов во включенном и выключенном состояниях. Экспериментально исследовать эти границы крайне сложно: контактные области имеют атомарные размеры, а их геометрию и электронную структуру трудно контролировать с необходимой точностью.

Для проверки своей методики специалисты KAIST выбрали однослойный дисульфид молибдена (MoS2) - перспективный двумерный полупроводник толщиной всего в один атом, который рассматривается как один из кандидатов на роль канального материала транзисторов следующего поколения. Они смоделировали контакты этого материала с различными металлами, включая скандий, серебро, золото и палладий, и рассмотрели две основные архитектуры соединения: верхний контакт и краевой контакт.

Расчеты показали, что критическая длина туннелирования - то расстояние, при котором электроны начинают существенно проникать в канал и мешать нормальной работе транзистора - не является постоянной величиной. Эта характеристика сильно зависит от работы выхода металла (энергии, необходимой для извлечения электрона из металла) и от атомарной геометрии самой контактной структуры. Иными словами, грамотный выбор материала электрода и способа его соединения с двумерным каналом позволяет отодвинуть квантовый предел миниатюризации дальше, чем считалось ранее.

Согласно результатам KAIST, при оптимальном сочетании металла и конфигурации контакта критическую длину туннелирования удается снизить до значений менее 4 нм - уже настоящих физических размеров, а не условных маркетинговых обозначений. В частности, для транзисторов n-типа более перспективными оказались верхние контакты с металлами, обладающими малой работой выхода, тогда как для p-типа предпочтительнее краевые контакты с металлами высокой работы выхода. Эти данные дают инженерам новый инструмент: теперь можно заранее рассчитывать контактное сопротивление, оценивать режимы туннельной утечки и прогнозировать предельную масштабируемость 2D-транзисторов на атомном уровне, значительно сокращая количество дорогостоящих и трудоемких экспериментальных итераций.