Ученые решили одну из проблем сверхтонких транзисторов на дисульфиде молибдена
Тайваньские исследователи разработали сверхтонкий буферный слой, который может решить одну из главных проблем транзисторов на основе двумерных полупроводников. Прослойка из оксида алюминия имеет толщину около 0,42 нм — всего несколько атомов — и позволяет разместить изолятор максимально близко к проводящему каналу.
Эксперименты проводились с дисульфидом молибдена (MoS₂) — материалом, который можно получить в виде листа атомарной толщины. Такие двумерные полупроводники рассматриваются как один из вариантов дальнейшей миниатюризации транзисторов, когда уменьшать элементы на основе традиционного кремния становится все сложнее.
В обычном транзисторе затвор управляет движением электронов через полупроводниковый канал. Между ними находится диэлектрик — электрический изолятор. Чем тоньше этот слой, тем сильнее затвор контролирует ток, что особенно важно при дальнейшем уменьшении размеров транзистора.
У MoS₂, однако, есть проблема: на его поверхности практически отсутствуют свободные химические связи, поэтому традиционные диэлектрики плохо формируют тонкое и однородное покрытие. Возникают микроскопические дефекты, через которые начинает утекать ток. Кроме того, нарушения на границе двух материалов мешают движению электронов и ухудшают характеристики транзистора.
Исследователи решили проблему с помощью своеобразной атомарной «грунтовки». Сначала на поверхность MoS₂ нанесли слой алюминия толщиной около 0,3 нм, а затем аккуратно окислили его. В результате сформировалась сплошная прослойка оксида алюминия толщиной примерно 0,42 нм.
Она выполняет сразу две функции. Во-первых, основной диэлектрик поверх нее формируется более равномерно, без микроскопических отверстий, которые могут стать каналами утечки. Во-вторых, буферный слой защищает полупроводниковый канал от электрических дефектов и воздействий со стороны расположенного выше изолятора.
С помощью новой технологии ученые изготовили экспериментальные транзисторы на основе MoS₂. Полученная структура обеспечила эффективность управления затвором, сопоставимую с использованием слоя диоксида кремния толщиной около 1 нм, при этом удалось сохранить низкие токи утечки и хорошую подвижность носителей заряда.
Таким образом, одна сверхтонкая прослойка позволяет одновременно решить три противоречащие друг другу задачи двумерной электроники: сделать изолятор чрезвычайно тонким, сохранить эффективный контроль затвора над каналом и не ухудшить движение электронов.
До массового производства, однако, еще далеко. Экспериментальная технология требует переноса слоев MoS₂, осаждения материалов в условиях сверхвысокого вакуума и тщательно контролируемого окисления. Все эти операции предстоит упростить и адаптировать к масштабам промышленного производства полупроводников.
По мнению исследователей, по мере приближения транзисторов к атомарным размерам важным становится не только поиск новых полупроводников. Не менее критичной задачей оказывается контроль границ между разными материалами — буквально на уровне отдельных атомов.