Создан транзистор толщиной 0,42 нанометра

Ученые из Национального университета Ян Мин Цзяо Тун (NYCU) на Тайване в сотрудничестве с TSMC обнаружили способ обойти одно из главных препятствий на пути развития двумерных полупроводников. Их открытие, опубликованное в журнале Nature Electronics, может проложить дорогу к созданию более совершенных электронных компонентов.

Более десяти лет двумерные полупроводники, состоящие всего из одного слоя атомов, считаются перспективной заменой кремнию. Их главное преимущество — сохранение электрических свойств даже в таком тонком виде, что позволяет уменьшать размеры, увеличивать скорость и энергоэффективность транзисторов. Однако существует критический элемент — подзатворный диэлектрик, тонкий изоляционный слой, который контролирует поток электронов. Чем тоньше этот слой, тем лучше контроль, но его нанесение на двумерный полупроводник часто приводит к проблемам: нарушается граница раздела материалов, а электроны рассеиваются, что ухудшает производительность. До сих пор инженерам приходилось идти на компромисс между тонкостью диэлектрика и сохранением подвижности носителей заряда.

Команда исследователей решила проблему, сосредоточившись не на самом полупроводнике, а на границе между материалами. Они разработали метод, при котором на дисульфид молибдена (MoS2) — двумерный полупроводник — наносится сверхтонкий эпитаксиальный слой алюминия. Затем этот слой окисляется, формируя оксид алюминия толщиной примерно 0,42 нанометра. Поверх него добавляется высокопроницаемый диэлектрик на основе оксида гафния. Такая «прослойка» делает поверхность более однородной для роста диэлектрика и, что важно, защищает электроны полупроводника от нежелательных взаимодействий.

Много лет усилия по совершенствованию атомарно тонких транзисторов были сосредоточены на поиске более удачных материалов для полупроводника. Наша работа показывает, что атомная граница между материалами может быть не менее важна: управляя ею, мы смогли ослабить один из фундаментальных компромиссов, который долгие годы ограничивал двумерные транзисторы.

Используя эту новую технологию, ученые создали короткоканальные транзисторы с верхним затвором на основе выращенного методом CVD монослоя MoS2. Эквивалентная толщина оксида составила около 1 нанометра. Полученные транзисторы продемонстрировали впечатляющие результаты: низкий ток утечки, минимальный гистерезис и высокую крутизну характеристики (0,45 мСм/мкм) при длине канала всего около 100 нанометров. Такое сочетание параметров ранее было сложно достичь одновременно.

По мнению одного из авторов исследования, профессора Цзун-Эня Ли, в современных транзисторах, где толщина элементов измеряется буквально несколькими атомными слоями, граница между материалами становится активной частью устройства. Хотя технология еще требует доработки перед массовым производством, она открывает новые перспективы для создания более мощных и компактных электронных устройств.