Memandangkan teknologi semikonduktor berasaskan silikon konvensional menghampiri had fizikalnya, industri semikonduktor global sedang mempercepatkan pencarian bahan generasi akan datang yang mampu melanjutkan Undang-Undang Moore. Semikonduktor dua dimensi seperti molibdenum disulfida (MoS₂), yang boleh setipis satu lapisan atom—kira-kira 0.7 nanometer—dianggap sebagai calon yang menjanjikan untuk nod proses di bawah 1 nanometer. Walau bagaimanapun, penggunaan praktikal mereka menghadapi cabaran yang berterusan: penempatan dielektrik pintu pada bahan tersebut boleh menyebabkan kecacatan di antara pengasing yang sangat nipis dan semikonduktor, meningkatkan hamburan elektron, mengurangkan mobiliti pengangkut, dan merosakkan prestasi transistor.
Untuk menangani cabaran antaramuka yang sudah lama wujud ini, penyelidik dari bahagian Penyelidikan Korporat TSMC dan Universiti Nasional Yang Ming Chiao Tung membangunkan pendekatan yang dikenali sebagai “kejuruteraan antaramuka epitaksial.” Penyelidikan ini diterbitkan dalam Nature Electronics pada Julai 2026.
Daripada membangunkan semikonduktor baru atau dielektrik pintu, pasukan penyelidik merombak antaramuka antara dua bahan pada skala atom. Menggunakan teknologi vakum ultratinggi, pasukan tersebut dengan tepat meletakkan satu lapisan aluminium logam yang sangat nipis ke atas MoS₂ monolayer. Aluminium itu kemudian dioksidakan untuk membentuk lapisan oksida aluminium yang kira-kira 0.42 nanometer tebal. Lapisan yang setipis atom ini berfungsi sebagai permukaan penampan berkualiti tinggi, di atasnya penyelidik meletakkan oksida hafnium, bahan ber-k tinggi yang digunakan sebagai dielektrik pintu fungsional.
Teknik kejuruteraan antaramuka skala atom ini memberikan dua manfaat. Lapisan penampan oksida aluminium mengatasi kesulitan penempatan yang disebabkan oleh ketiadaan ikatan tidak terikat pada permukaan MoS₂, memberikan permukaan pertumbuhan yang licin dan berterusan untuk filem oksida hafnium. Ia juga berfungsi sebagai lapisan pengasing yang mengurangkan interaksi cas dan kesan ketegangan kisi antara dielektrik ber-k tinggi dan semikonduktor dua dimensi, secara substansial mengurangkan hamburan elektron yang disebabkan oleh antaramuka.
Menggunakan teknik ini, penyelidik menghasilkan transistor pintu atas berprestasi tinggi berdasarkan MoS₂ monolayer skala wafer yang ditanam melalui pemendapan wap kimia. Keputusan ujian menunjukkan ketebalan oksida bersamaan kira-kira 1 nanometer, memenuhi keperluan penyesuaian dielektrik pintu yang ketat bagi proses semikonduktor canggih. Peranti juga menunjukkan prestasi transkonduktans utama pada dimensi yang sangat kecil, dengan nilai puncak 0.45 mS/μm, bersama dengan arus bocor yang sangat rendah dan kestabilan operasi yang kuat.
Kajian ini menandakan demonstrasi pertama dalam peranti setipis atom kawasan besar untuk menggabungkan penyesuaian dielektrik pintu yang agresif, kawalan elektrostatik yang kuat, dan mobiliti pengangkut yang tinggi. Teknik ini menetapkan platform yang boleh diterapkan kepada pelbagai bahan semikonduktor dua dimensi. Ia juga mungkin akhirnya diintegrasikan dengan proses pembuatan semikonduktor yang sedia ada dan menyokong pembangunan teknologi cip selepas silikon.