Несколько атомов оксида алюминия могут решить ключевую проблему, сдерживающую развитие 2D-полупроводниковых технологий следующего поколения.
Тайваньские исследователи разработали новое атомарно тонкое «грунтовочное покрытие» для дисульфида молибдена (MoS₂), которое позволяет наносить сверху очень тонкий изолятор затвора, не оставляя в изоляции отверстий и не нарушая движение электронов под ним.
Современный транзистор — это, по сути, управляемый электричеством переключатель. Как правило, он состоит из полупроводникового канала (в данном случае атомарно тонкого слоя MoS₂) с металлическим «затвором» над ним. Между затвором и полупроводником находится электрический изолятор, называемый затвором-диэлектриком.
При подаче напряжения на затвор создается электрическое поле, проходящее через изолятор. Это поле определяет, смогут ли электроны пройти через MoS₂ от истока к стоку. Поскольку затвор управляет каналом электростатически, чем ближе затвор к каналу, тем сильнее его влияние.
«Сделать изолятор тоньше — это только часть задачи, — объясняют исследователи— Нам также нужно было защитить атомарно-тонкий полупроводник под ним. Наш подход заключался в том, чтобы создать интерфейс, который выполняет обе задачи: способствует равномерному формированию изолирующего слоя и обеспечивает буфер, поддерживающий эффективный поток электронов».
MoS₂ усложняет задачу, поскольку на его поверхности отсутствуют оборванные химические связи, которые есть на многих обычных полупроводниковых поверхностях. В результате традиционные изоляционные материалы с трудом образуют на его поверхности гладкие непрерывные слои. Дефекты на границе раздела могут приводить к утечке тока, а также к рассеянию электронов, движущихся через MoS₂, что снижает подвижность носителей заряда.
Чтобы решить эту проблему, исследователи вставили между полупроводником и основным изолирующим слоем чрезвычайно тонкий буферный слой. Сначала они нанесли на MoS₂ слой алюминия толщиной около 0,3 нанометра, а затем тщательно его окислили. В результате образовался сплошной слой оксида алюминия толщиной примерно 0,42 нанометра. Несмотря на то, что слой состоит всего из нескольких атомов, он выполняет две важные функции.
Во-первых, он обеспечивает подходящую поверхность, на которой может равномерно формироваться основной диэлектрик, устраняя крошечные зазоры, которые в противном случае могли бы стать путями утечки. Во-вторых, он помогает защитить канал MoS₂ от электрических помех, связанных с диэлектриком над ним, позволяя электронам свободнее перемещаться по полупроводнику.
Используя эту технологию, исследователи создали MoS₂ транзисторы с диэлектриком затвора, обеспечивающим электрический контроль, эквивалентный примерно одному нанометру диоксида кремния, при сохранении низкого уровня утечек и высокой подвижности носителей заряда.
По их словам, это достижение позволяет решить сложную задачу, связанную с компромиссом между тремя факторами в двумерной электронике: одновременным созданием чрезвычайно тонкого диэлектрика затвора, сильным электростатическим контролем и высокой подвижностью электронов.
В более широком смысле результаты показывают, как может измениться разработка транзисторов по мере того, как устройства будут приближаться к атомарным размерам. Вместо того чтобы просто искать новые полупроводниковые материалы, инженерам, возможно, придется все чаще манипулировать атомами на границах между существующими материалами.