TSMC en samenwerking met een onderzoeksteam van de National Yang Ming Chiao Tung University (NYCU) in Taiwan heeft een nieuwe techniek aangetoond voor het fabriceren van transistors gebaseerd op één-lagige molibdeen disulfide (MoS₂), een van de materialen die de industrie bestudeert om de grootte van transistors verder te verkleinen naarmate het gebruik van conventioneel silicium zijn fysieke grenzen nadert. Hoewel dit geen onmiddellijke inzet van een commercieel proces onder de 1 nanometer betekent, lost het wel een van de problemen op die het gebruik van tweedimensionale半geleiders in toekomstige chips bemoeilijken.
De kernpunten van de toekomstige TSMC-transistors in 20 seconden
- TSMC en NYCU hebben transistors vervaardigd met MoS₂ van één enkele laag als kanaal.
- De onderzoekers voegen een intermediaire laag van aluminiumoxide van slechts 0,42 nanometer toe.
- Deze interface vergemakkelijkt de latere integratie van hafniumoxide-dielectrica en vermindert elektronenverspreiding.
- Het werk is experimenteel en ligt nog ver verwijderd van commerciële productie.
De studie, gepubliceerd op 31 juli 2026 in Nature Electronics, behandelt een steeds belangrijker wordend probleem voor de halfgeleiderindustrie: het verder verkleinen van de fysieke afmetingen van transistors terwijl men toch een goede controle behoudt over de stroom, een redelijk verbruik en fabricageprocessen die geschikt kunnen zijn voor grote wafers.
Waarom siliconenmaterialen beginnen te verdwijnen ten gunste van alternatieven
Decennialang slaagde de industrie erin om steeds meer transistors op eenzelfde chip te plaatsen door hun afmetingen stelselmatig te verkleinen en de architectuur aan te passen.
De vlakke transistors maakten plaats voor FinFET, waarbij de kanaal een driedimensionale vorm krijgt die op een vin lijkt. Later kwamen de Gate-All-Around FET (GAAFET), waarbij de poort het kanaal nog vollediger omringt voor beter electrostatisch beheer.
Problemen ontstaan wanneer de dikte van dat kanaal verder wordt verkleind.
Bij extreem kleine afmetingen wordt het moeilijk om een conventioneel halfgeleidend kanaal dun genoeg te laten zijn. Er ontstaan meer lekstromen, weerstand en problemen met de controle door de poort over de elektronenstromen.
Hier komen de zogenaamde tweedimensionale materialen om de hoek kijken.
Molibdeen disulfide kan laagjes vormen van ongeveer 0,7 nanometer dik, bijna de dikte van slechts enkele atomen. In tegenstelling tot een extreem dunne siliciumlaag behoudt het interessante半geleidende eigenschappen zelfs wanneer het wordt gereduceerd tot één enkele laag.
Dit maakt het tot een van de meest bestudeerde kandidaten voor transistors na de huidige generaties GAAFET.
Echter, een ultradun kanaal is slechts een deel van het probleem.
Een laag van slechts 0,42 nanometer maakt het verschil
Om de stroom door een transistor te regelen, is er een poort of gate die uit een isolerende laag, het dielektricum van de poort, bestaat en die het kanaal van de transistor scheidt.
Deze laag moet uiterst dun zijn zodat het elektrische veld het kanaal effectief kan beïnvloeden, maar tegelijkertijd mag het geen directe stroom doorlaten.
Materialen met een hoge permittiviteit of high-κ, zoals hafniumoxyde (HfO₂), worden al jaren gebruikt om dat evenwicht te bereiken.
Het depositieproces van zulke dielectrica rechtstreeks op MoS₂ is echter uitdagend. Het oppervlak van een tweedimensionaal materiaal mist de chemische bindingen die normaal gesproken een uniforme groei van het aangebrachte materiaal bevorderen.
De oplossing van de onderzoekers was om eerst die interface te modificeren.
Het team deponeerde een uiterst dunne laag van epitaxiaal aluminium op MoS₂, die daarna werden geoxideerd tot ongeveer 0,42 nanometer Al₂O₃ (aluminiumoxide). Op dat oppervlak werd vervolgens het high-κ dielectrum van hafniumoxyde aangebracht.
Het resultaat is een soort atomaire brug tussen het tweedimensionale halfgeleidermateriaal en het hogere dielectrum.
Deze laag vervult twee functies: ze biedt een veel geschiktere basis voor de groei van HfO₂ en verlaagt de interacties die elektronendispersie in het kanaal veroorzaken.
De tweede functie is mogelijk vooral waardevol, omdat in een extreem klein transistor het niet alleen gaat om werking, maar ook om het minimaliseren van weerstand en dispersie voor hoge prestaties en een laag energieverbruik.
Het transistor behaalde een hoge transconductantie
De onderzoekers fabriceren top-gate transistors met een monolaag MoS₂ verkregen via chemische dampdepositie (CVD).
Bij apparaten met kanaal van circa 100 nanometer registreert het werk een maximale transconductantie van bijna 0,45 mS/µm, met lage lekstroom en weinig hysterese.
Transconductantie meet in grote lijnen hoe effectief de poort de stroom in het kanaal kan regelen. Een hoge waarde betekent betere controle en hogere prestaties.
Het bijzondere aan dit werk is het bereiken van dat niveau met een uiterst dunne structuur.
De auteurs claimen dat de interface-engineering kan toestaan dat een zeer dun dielectrum gecombineerd wordt met hoge mobiliteit van dragers, twee doelen die in tweedimensionale transistors vaak met elkaar in conflict zijn.
Dit betekent niet dat TSMC morgen chips van 0,7 nm gaat produceren
Het is belangrijk om de fysieke afmetingen die in het onderzoek worden genoemd te scheiden van de commerciële benamingen voor toekomstige nodes.
Het gebruik van een MoS₂-kanaal van ongeveer 0,7 nanometer dik of een Al₂O₃-interface van 0,42 nm betekent niet dat er een processor met een ‘0,7 nm node’ wordt gemaakt.
De huidige procesbenamingen zoals 3 nm of 2 nm staan niet voor één enkele fysieke dimensie van het transistor; ze vertegenwoordigen verbeteringen in dichtheid, prestaties, energieverbruik en fabricagetechniek.
Het werk van TSMC en NYCU moet daarom worden geïnterpreteerd als onderzoek naar technologieën die toekomstige generaties transistors kunnen ondersteunen, vooral wanneer bestaande architecturen problemen ondervinden met verdere evolutie.
Het bewijst niet dat die technologie morgen in massaproductie zal worden toegepast met de vereiste prestaties en uniformiteit.
Het maken van miljarden chips op een kosteneffectieve en consistente manier is namelijk vaak veel ingewikkelder dan het demonstreren van een enkele transistor of een kleinschalige matrix in het lab.
Tweedimensionale materialen beginnen aan te sluiten bij industriële processen
Wat interessant is, is dat dit soort onderzoek niet geïsoleerd plaatsvindt.
In 2026 heeft TSMC samen met imec en ASML gewerkt aan integratieroutes voor 300-millimeterwafers met transistors op basis van 2D-materialen, waaronder MoS₂, WS₂ en WSe₂. Volgens gegevens van TrendForce hebben die studies geleid tot apparaten met een contacted poly pitch van 50 nm, ontworpen met het oog op productie die dichterbij komt bij industriële faciliteiten.
Ook Intel en imec onderzoeken vergelijkbare architecturen.
Dit garandeert niet dat tweedimensionale materialen direct siliconen vervangen. De industrie heeft andere methoden om de dichtheid te vergroten, zoals nieuwe GAAFET-structuren, gestapelde transistors, 3D-integratie, geavanceerdere voedingstechnieken of geavanceerde verpakkingstechnologieën.
Maar MoS₂ biedt wel een bijzonder moeilijke te realiseren eigenschap met conventionele materialen: een functioneel半geleidend kanaal met een vrijwel atomische dikte.
De bijdrage van dit onderzoek ligt in het aantonen van een manier om rond dat kanaal een hoogwaardige poortinterface te bouwen zonder de unieke eigenschappen van het materiaal te vernietigen.
De race naar de chips van de toekomst zal dus niet alleen afhangen van het fabriceren van structuren kleiner en kleiner, maar ook van het controleren van oppervlakken, contacten en lagen die op atomniveau worden gemeten.
Veelgestelde vragen
Wat hebben TSMC en NYCU precies bereikt?
Ze hebben top-gate transistors met een monolaag MoS₂ als kanaal aangetoond, met een Al₂O₃-interface van ongeveer 0,42 nm die het mogelijk maakt om een hafniumoxyde-dielectrum te integreren terwijl goede elektrische eigenschappen behouden blijven.
Betekent dit dat TSMC al chips onder de 1 nm kan maken?
Nee. Het gaat om experimentele onderzoeken van individuele componenten die in toekomstige transistors kunnen worden gebruikt. De genoemde afmetingen betreffen fysieke lagen en niet een werkelijke commerciële procesnode.
Waarom MoS₂ gebruiken in plaats van silicium?
MoS₂ kan halfgeleider eigenschappen behouden in een laag van ongeveer 0,7 nm, waardoor veel dikkere kanalen mogelijk zijn en toch een goede electrostatische controle wordt gehouden.
Wanneer zou deze technologie in commerciële processors kunnen verschijnen?
De studie geeft geen specifiek tijdschema. Voor productie zijn nog grote stappen nodig, zoals grootschalige fabricage, uniformiteit, contacten, waferrendement, kosten en integratie met bestaande processen.
via: wccftech