ทีมนักวิจัยเกาหลีสร้างส่วนประกอบทรานซิสเตอร์ด้วยการแทนที่อะตอมในฟิล์มบางเฉียบ

ก้าว 0.7 นาโนเมตรสู่สวิตช์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีขนาดเล็กลง

นักวิจัยชาวเกาหลีใต้สร้างองค์ประกอบหลักของทรานซิสเตอร์ไว้ภายในฟิล์มบางเพียงชั้นเดียว ด้วยการแทนที่อะตอมบางชนิด ทำให้ควบคุมกระแสไฟฟ้าได้ใกล้ขีดจำกัดทางทฤษฎีของทรานซิสเตอร์แบบทั่วไปที่อุณหภูมิห้อง เทคนิคนี้ใช้ได้กับชั้นวัสดุที่หนาประมาณ 0.7 นาโนเมตร และอาจช่วยให้การสร้างอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็กมากทำได้ง่ายขึ้น

ทีมวิจัยนำโดยโช มุนโฮ ผู้อำนวยการศูนย์ Van der Waals Quantum Solids แห่งสถาบันวิทยาศาสตร์พื้นฐาน และศาสตราจารย์เกียรติคุณจากมหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีโพฮัง โดยเริ่มจากทังสเตนไดเซเลไนด์ นักวิจัยแทนที่อะตอมซีลีเนียมด้วยออกซิเจน กำมะถัน หรือเทลลูเรียม เพื่อสร้างบริเวณที่เป็นฉนวน นำกระแสไฟฟ้า หรือช่วยให้กระแสเข้าสู่สารกึ่งตัวนำ

ทรานซิสเตอร์ที่ได้ต้องเปลี่ยนแรงดันเกต 61.3 มิลลิโวลต์เพื่อเพิ่มกระแสไฟฟ้าเป็นสิบเท่า เทียบกับค่าต่ำสุดทางทฤษฎีที่ประมาณ 60 มิลลิโวลต์ ณ อุณหภูมิห้อง เมื่อเปิดสวิตช์ กระแสไฟฟ้ามีค่าสูงกว่าตอนปิดสวิตช์มากกว่า 10 ล้านเท่า

นักวิจัยยังสร้างวงจรขนาดเล็กจากทรานซิสเตอร์ที่ซ้อนกันในแนวตั้ง ซึ่งกลับสัญญาณไฟฟ้าได้ที่แรงดัน 1 โวลต์ ผลการทดลองนี้เชื่อมโยงการควบคุมชั้นวัสดุแต่ละชั้นอย่างแม่นยำเข้ากับวงจรที่ใช้งานได้จริง ขณะที่การขยายกระบวนการไปสู่การผลิตสารกึ่งตัวนำยังเป็นภารกิจสำคัญขั้นต่อไป

เหตุใดการประกอบวัสดุเหล่านี้จึงทำได้ยาก

ทรานซิสเตอร์คือสวิตช์ที่ควบคุมด้วยไฟฟ้า โดยต้องมีช่องสารกึ่งตัวนำให้กระแสไหลผ่าน มีชั้นฉนวนที่ทำให้เกตควบคุมช่องดังกล่าวได้ และมีขั้วไฟฟ้าเชื่อมอุปกรณ์เข้ากับส่วนอื่นของวงจร แต่ละส่วนทำหน้าที่ต่างกัน ดังนั้นการทำให้รอยต่อระหว่างส่วนต่าง ๆ ทำงานได้ดีจึงเป็นเรื่องสำคัญ

สารกึ่งตัวนำที่เรียกว่าวัสดุสองมิติยังคงใช้งานได้แม้มีความหนาเพียงไม่กี่ชั้นอะตอม อย่างไรก็ตาม พื้นผิวของวัสดุเหล่านี้ไม่ก่อพันธะเคมีกับวัสดุอื่นได้ง่าย จึงเคลือบฟิล์มฉนวนให้สม่ำเสมอได้ยาก การติดขั้วโลหะเข้ากับพื้นผิวโดยตรงอาจทำให้บริเวณสัมผัสเสียหาย หรือทำให้เกิดความต้านทานไฟฟ้าที่จำกัดการไหลของกระแส

การย้ายฟิล์มที่เตรียมแยกกันมาวางและซ้อนทับเป็นอีกแนวทางหนึ่ง แต่เพิ่มขั้นตอนการผลิต ทีมเกาหลีเลือกสร้างวัสดุที่จำเป็นหลายชนิดขึ้นภายในฟิล์มตั้งต้น จึงลดความจำเป็นในการนำฟิล์มต่างชนิดมาประกบเข้าด้วยกัน

อะตอมทดแทนสามชนิด ทำหน้าที่ต่างกันสามแบบ

ทังสเตนไดเซเลไนด์ เขียนเป็น WSe2 มีชั้นอะตอมทังสเตนคั่นอยู่ระหว่างอะตอมซีลีเนียมด้านบนและด้านล่าง นักวิจัยคงอะตอมทังสเตนไว้และเลือกแทนที่อะตอมซีลีเนียม การเปลี่ยนอะตอมที่อยู่รอบ ๆ ทำให้บริเวณที่ผ่านการปรับเปลี่ยนแต่ละแห่งมีพฤติกรรมทางไฟฟ้าต่างกัน

การแทนที่ด้วยออกซิเจนทำให้เกิดทังสเตนออกไซด์ซึ่งเป็นฉนวน การแทนที่ด้วยกำมะถันทำให้เกิดทังสเตนไดซัลไฟด์ซึ่งเป็นสารกึ่งตัวนำชนิด n ส่วนการแทนที่ด้วยเทลลูเรียมทำให้เกิดทังสเตนไดเทลลูไรด์ ซึ่งเป็นกึ่งโลหะนำไฟฟ้าที่ใช้บริเวณรอยต่อระหว่างขั้วโลหะกับสารกึ่งตัวนำ

• ทังสเตนไดเซเลไนด์ที่ไม่ได้ผ่านการเปลี่ยนแปลงทำหน้าที่เป็นบริเวณสารกึ่งตัวนำชนิด p
• ทังสเตนออกไซด์ทำหน้าที่เป็นฉนวนไฟฟ้าสำหรับควบคุมด้วยเกต
• ทังสเตนไดซัลไฟด์เป็นสารกึ่งตัวนำชนิด n สำหรับอุปกรณ์แบบคู่สม
• ทังสเตนไดเทลลูไรด์ช่วยให้ประจุเคลื่อนที่ระหว่างขั้วไฟฟ้ากับสารกึ่งตัวนำ

คำว่า p-type และ n-type ใช้อธิบายการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้าในสารกึ่งตัวนำ ในวัสดุชนิด n อิเล็กตรอนเป็นพาหะนำกระแส ส่วนในวัสดุชนิด p อธิบายกระแสผ่านการเคลื่อนที่ของโฮล ซึ่งเป็นตำแหน่งว่างที่มีประจุบวกซึ่งเกิดจากการขาดอิเล็กตรอน วัสดุทั้งสองชนิดจำเป็นต่อวงจรแบบคู่สมที่ทีมวิจัยสาธิต

ทีมวิจัยเลือกชั้นและตำแหน่งอย่างไร

นักวิจัยควบคุมความลึกที่การเปลี่ยนแปลงทางเคมีแทรกซึมเข้าไปในฟิล์มได้ด้วยอุณหภูมิและความดันของก๊าซที่ใช้ทำปฏิกิริยา พวกเขาใช้ช่องว่างขนาดเล็กระหว่างชั้นวัสดุเป็นแนวกั้นจำกัดการเคลื่อนที่ของอะตอมที่ทำปฏิกิริยา ซึ่งช่วยป้องกันไม่ให้การเปลี่ยนแปลงลามไปยังชั้นถัดไป

การควบคุมแต่ละขั้นสอดคล้องกับชั้นอะตอมที่หนาประมาณ 0.7 นาโนเมตร หนึ่งนาโนเมตรเท่ากับหนึ่งในพันล้านเมตร ตัวเลขนี้หมายถึงความหนาของชั้นวัสดุที่ถูกเปลี่ยนแปลง ส่วนวิธีการผลิตยังต้องควบคุมตำแหน่งที่เกิดการเปลี่ยนแปลงบนพื้นผิวด้วย

หน้ากากที่ใช้ในกระบวนการผลิตสารกึ่งตัวนำช่วยควบคุมในส่วนที่สองนี้ หน้ากากทำหน้าที่คล้ายแผ่นปิดที่มีลวดลายแม่นยำ โดยเปิดให้พื้นที่ที่เลือกสัมผัสกับกระบวนการและปกป้องพื้นที่อื่น การใช้หน้ากากร่วมกับการควบคุมความลึกของปฏิกิริยาทำให้นักวิจัยสร้างวัสดุต่างชนิดในตำแหน่งและชั้นที่ต้องการภายในฟิล์มเดียวกันได้

ลดสิ่งกีดขวางตรงจุดที่กระแสเข้าสู่สารกึ่งตัวนำ

บริเวณสัมผัสที่ทำจากทังสเตนไดเทลลูไรด์ช่วยแก้ปัญหาอีกด้านหนึ่ง ซึ่งต่างจากการสวิตช์ทรานซิสเตอร์ นั่นคือการทำให้ประจุเข้าสู่สารกึ่งตัวนำได้อย่างมีประสิทธิภาพ แม้ช่องนำกระแสจะตอบสนองต่อเกตได้ดี แต่อุปกรณ์ก็อาจทำงานได้ไม่ดี หากขั้วไฟฟ้าทำให้ประจุถ่ายเทได้ยาก

นักวิจัยวัดค่ากำแพงพลังงานที่รอยต่อระหว่างขั้วไฟฟ้ากับสารกึ่งตัวนำได้ 35.5 มิลลิอิเล็กตรอนโวลต์ โดยระบุว่าค่านี้อยู่ที่ประมาณหนึ่งในสามของกำแพงพลังงานเมื่อใช้ขั้วโลหะติดโดยตรง กำแพงพลังงานคือสิ่งกีดขวางที่พาหะประจุต้องข้ามเมื่อเคลื่อนระหว่างวัสดุ

เมื่อเปรียบเทียบเป็นสัดส่วน การลดกำแพงพลังงานเหลือหนึ่งในสามเท่ากับลดลงราว 67 เปอร์เซ็นต์ การปรับปรุงที่วัดได้เกี่ยวข้องกับการถ่ายเทประจุบริเวณจุดสัมผัส ส่วนการใช้พลังงานของวงจรทั้งระบบยังขึ้นอยู่กับแรงดันขณะทำงาน กระแสไฟรั่ว และกิจกรรมการสวิตช์ด้วย

สวิตช์ได้ใกล้ขีดจำกัดที่อุณหภูมิห้อง

ค่าที่วัดได้ 61.3 มิลลิโวลต์ของทรานซิสเตอร์แสดงความฉับไวในการสวิตช์เมื่อแรงดันเกตเปลี่ยนแปลง วิศวกรเรียกค่านี้ว่าความชันใต้เกณฑ์ (subthreshold swing) ซึ่งหมายถึงการเปลี่ยนแปลงแรงดันเกตที่จำเป็นต่อการเปลี่ยนกระแสไฟฟ้าหนึ่งลำดับขนาด หรือสิบเท่า ขณะที่อุปกรณ์กำลังเปลี่ยนเข้าสู่สถานะนำกระแส

ค่ายิ่งต่ำหมายถึงการปรับแรงดันเพียงเล็กน้อยก็ทำให้กระแสเปลี่ยนแปลงมาก เมื่อเทียบกับขีดจำกัดโดยประมาณที่ 60 มิลลิโวลต์ ณ อุณหภูมิห้องสำหรับการทำงานของทรานซิสเตอร์แบบทั่วไป ค่าที่วัดได้สูงกว่าเพียง 1.3 มิลลิโวลต์ หรือประมาณ 2.2 เปอร์เซ็นต์

อัตราส่วนกระแสระหว่างสถานะเปิดกับสถานะปิดสูงกว่า 10 ล้านต่อหนึ่ง ค่านี้บ่งชี้ว่าอุปกรณ์แยกสถานะนำกระแสและไม่นำกระแสได้ชัดเจนเพียงใด กระแสไฟต่ำในสถานะปิดมีความสำคัญ เพราะไฟฟ้าที่รั่วผ่านทรานซิสเตอร์ซึ่งไม่ได้ใช้งานทำให้สิ้นเปลืองพลังงาน

กำแพงพลังงานบริเวณจุดสัมผัส การตอบสนองในการสวิตช์ และอัตราส่วนกระแส ล้วนบ่งบอกประสิทธิภาพของอุปกรณ์ในแง่มุมที่เกี่ยวเนื่องกัน จุดสัมผัสช่วยให้ประจุเข้าสู่ระบบ เกตควบคุมการไหลของประจุ และความแตกต่างของกระแสระหว่างสถานะเปิดกับปิดแสดงให้เห็นว่าทรานซิสเตอร์ทำหน้าที่เป็นสวิตช์ได้มีประสิทธิภาพเพียงใด

ฉนวนที่ช่วยให้เกตควบคุมได้อย่างใกล้ชิด

บริเวณทังสเตนออกไซด์ทำหน้าที่เป็นชั้นฉนวน ชั้นนี้ต้องแยกเกตออกจากช่องนำกระแสทางไฟฟ้า ขณะเดียวกันก็ต้องยอมให้สนามไฟฟ้าจากเกตควบคุมกระแสได้ การสร้างชั้นฉนวนด้วยการเปลี่ยนวัสดุตั้งต้นบางส่วนช่วยแก้ปัญหาการเคลือบสารให้สม่ำเสมอบนสารกึ่งตัวนำสองมิติ

ทีมวิจัยระบุว่าฉนวนของตนเป็นไปตามเป้าหมายของ International Roadmap for Devices and Systems ซึ่งกำหนดความหนาออกไซด์เทียบเท่าไม่เกิน 1 นาโนเมตร ความหนาออกไซด์เทียบเท่า ซึ่งมักย่อว่า EOT เป็นการแสดงสมรรถนะทางไฟฟ้าของฉนวนในรูปความหนาของชั้นซิลิคอนไดออกไซด์อ้างอิงที่มีค่าความจุไฟฟ้าเท่ากัน

ดังนั้น EOT จึงอธิบายคุณสมบัติทางไฟฟ้า ไม่ใช่เพียงความหนาทางกายภาพของวัสดุ นักวิจัยให้ข้อมูลว่าค่า EOT ต่ำกว่า 1 นาโนเมตร ขณะที่รายละเอียดเชิงตัวเลขที่เผยแพร่ยังระบุช่วง 0.3 ถึง 0.4 นาโนเมตร และประมาณ 1 นาโนเมตร ค่าที่แน่นอนยังไม่ชัดเจนจากข้อมูลเหล่านั้น แต่ทั้งหมดอยู่ในระดับไม่เกินเป้าหมายตามโรดแมปที่ระบุไว้

วงจรซ้อนชั้นทำงานที่แรงดัน 1 โวลต์

นักวิจัยไม่ได้หยุดเพียงการทดสอบทรานซิสเตอร์ตัวเดียว แต่สร้างอินเวอร์เตอร์แบบคู่สมด้วยการซ้อนทรานซิสเตอร์ชนิด p และชนิด n ในแนวตั้ง อินเวอร์เตอร์เป็นวงจรดิจิทัลพื้นฐาน โดยสัญญาณขาเข้าสูงจะให้สัญญาณขาออกต่ำ และสัญญาณขาเข้าต่ำจะให้สัญญาณขาออกสูง

วงจรกลับสัญญาณได้ที่แรงดันใช้งาน 1 โวลต์ การสร้างวงจรนี้ต้องอาศัยการทำงานร่วมกันของสารกึ่งตัวนำต่างชนิด และเชื่อมโยงวิธีเปลี่ยนวัสดุเข้ากับฟังก์ชันพื้นฐานที่ใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ดิจิทัล

การสร้างอุปกรณ์ในแนวตั้งยังเชื่อมโยงการทดลองกับแผนของทีมในการพัฒนาวงจรรวมสามมิติ การจัดวางอุปกรณ์ซ้อนกันช่วยเพิ่มจำนวนวงจรในพื้นที่ผิวเท่าเดิมได้ หากสามารถควบคุมวัสดุและกระบวนการผลิตได้ตลอดทั้งโครงสร้างซ้อนชั้น

โช ผู้อำนวยการศูนย์ IBS และศาสตราจารย์เกียรติคุณจาก POSTECH กล่าวถึงความเชื่อมโยงระหว่างเทคนิคด้านวัสดุกับการผลิตอุปกรณ์ว่า:

การศึกษานี้ผสานเทคนิคพื้นฐานทางวัสดุศาสตร์ในการปรับแต่งวัสดุระดับอะตอมเข้ากับเทคโนโลยีสารกึ่งตัวนำสมัยใหม่

การตีพิมพ์ผลงานและการขยายสู่เวเฟอร์ขนาดใหญ่

บทความวิจัยมีชื่อว่า Modular van der Waals MOSFETs through layer-by-layer chalcogen substitutions MOSFET เป็นชื่อเรียกทรานซิสเตอร์ตระกูลหนึ่งที่ใช้กันอย่างแพร่หลายและควบคุมด้วยเกตที่มีฉนวนกั้น ส่วนแชลโคเจนเป็นกลุ่มธาตุเคมีที่ประกอบด้วยออกซิเจน กำมะถัน ซีลีเนียม และเทลลูเรียม ซึ่งเป็นธาตุหลักที่ใช้ในการแทนที่

มีการระบุวันประกาศและวันเผยแพร่ผลงานดังนี้:

• 15 ตุลาคม 2026: มีรายงานว่ากระทรวงวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีสารสนเทศและการสื่อสารประกาศผลงานวิจัยเกี่ยวกับทรานซิสเตอร์แบบโมดูลาร์
• 16 ตุลาคม 2026 เวลา 03.00 น. ตามเวลาเกาหลี: กระทรวงระบุว่าเป็นเวลาเผยแพร่ผลงานในวารสาร Science ส่วนคำอธิบายอื่นระบุว่าประกาศต่อสาธารณะเมื่อวันที่ 16 ตุลาคม

ขั้นต่อไปคือการนำวิธีนี้ไปใช้กับสารกึ่งตัวนำสองมิติชนิดอื่น และขยายกระบวนการให้ครอบคลุมเวเฟอร์ ซึ่งเป็นแผ่นฐานขนาดใหญ่ที่ใช้ผลิตอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำจำนวนมากพร้อมกัน การแทนที่อะตอมให้สม่ำเสมอและทำซ้ำได้ทั่วพื้นผิวเหล่านั้นเป็นเงื่อนไขจำเป็นสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรม ไม่มีการระบุกำหนดเวลาสำหรับการนำไปใช้ในการผลิต

การเปลี่ยนแปลงเชิงปฏิบัติที่ทีมวิจัยมุ่งหวังคือการสร้างวัสดุที่ต้องการขึ้น ณ ตำแหน่งเดิม แทนการถ่ายโอนและประกบฟิล์มแยกชั้นซ้ำหลายครั้ง หากขยายกระบวนการได้ ก็อาจลดความซับซ้อนในการประกอบ พร้อมคงการควบคุมเกตอย่างใกล้ชิดและปรับปรุงจุดสัมผัสได้ตามที่วัดพบในอุปกรณ์ทดลอง

คิม ซองซู ผู้อำนวยการสำนักงานนโยบายการวิจัยและพัฒนาของกระทรวงวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีสารสนเทศและการสื่อสาร กล่าวว่ารัฐบาลจะสนับสนุนงานวิจัยพื้นฐานและงานวิจัยฐานรากต่อไป เพื่อให้เทคโนโลยีที่คิดค้นขึ้นใหม่มีส่วนช่วยเพิ่มขีดความสามารถในการแข่งขันของอุตสาหกรรมเกาหลีใต้ งานขั้นต่อไปของนักวิจัยจะมุ่งเน้นพื้นที่การผลิตที่ใหญ่ขึ้น วัสดุเพิ่มเติม และวงจรรวมแบบซ้อนชั้น

ประเด็นสำคัญ

• ทีมวิจัยเกาหลีสร้างส่วนประกอบสำคัญของทรานซิสเตอร์ด้วยการเลือกแทนที่อะตอมซีลีเนียมในทังสเตนไดเซเลไนด์
• อุณหภูมิ ความดันก๊าซ และหน้ากากช่วยควบคุมการเปลี่ยนแปลงในชั้นวัสดุหนาประมาณ 0.7 นาโนเมตรและในตำแหน่งที่เลือกบนพื้นผิว
• กำแพงพลังงานบริเวณจุดสัมผัสลดลงเหลือ 35.5 มิลลิอิเล็กตรอนโวลต์ หรือประมาณหนึ่งในสามของค่าเมื่อใช้จุดสัมผัสโลหะโดยตรง
• การเปลี่ยนแรงดันเกต 61.3 มิลลิโวลต์เพิ่มกระแสไฟฟ้าเป็นสิบเท่า ใกล้เคียงขีดจำกัดโดยประมาณที่ 60 มิลลิโวลต์ ณ อุณหภูมิห้อง
• อัตราส่วนกระแสระหว่างสถานะเปิดกับปิดสูงกว่า 10 ล้านต่อหนึ่ง
• อินเวอร์เตอร์แบบคู่สมที่ซ้อนกันในแนวตั้งกลับสัญญาณได้ที่แรงดัน 1 โวลต์
• การผลิตให้สม่ำเสมอทั่วทั้งเวเฟอร์สารกึ่งตัวนำเป็นเงื่อนไขขั้นต่อไปสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรม