TSMC сообщила о прорыве в разработке транзисторов следующего поколения — она создала 2D-транзистор из дисульфида молибдена

Источник изображения: National Yang Ming Chiao Tung University
Одной из главных проблем транзисторов из полупроводника MoS₂ остаётся нанесение на него изолятора затвора. Поверхность условно двумерного кристалла практически не имеет свободных химических связей, поэтому применяемое в полупроводниковой промышленности послойной атомное осаждение (ALD) плохо формирует на ней сплошные сверхтонкие плёнки.
Кроме того, использование диэлектриков с высокой диэлектрической проницаемостью, например HfO₂, усиливает рассеяние электронов и способно резко снижать их подвижность. Приходится искать компромисс между подвижностью и управляемостью электронов в канале с оглядкой на уровень брака. До недавнего времени все такие компромиссы вели к ухудшению характеристик транзисторов и мало помогали с дальнейшей миниатюризацией. И учёные решили, что хватит искать новые материалы для транзисторов — было бы неплохо научиться лучше их соединять друг с другом, чтобы пограничные слои сами стали частью транзистора.

Учёные решили эту проблему, фактически создав между MoS₂ и основным затворным диэлектриком атомарно тонкий буфер. В условиях сверхвысокого вакуума на поверхность MoS₂ электронно-лучевым испарением наносился слой алюминия толщиной примерно 0,3 нм. Благодаря ван-дер-ваальсовой поверхности двумерного материала алюминий рос с нужной преимущественно кристаллографической ориентацией Al(111), после чего его контролируемо окисляли, превращая в чрезвычайно тонкий и однородный слой Al₂O₃. Уже поверх него можно было наносить high-k диэлектрик HfO₂ методом ALD-осаждения. Такое сопряжение одновременно обеспечивало хорошую поверхность для роста диэлектрика и экранировало канал от частично неблагоприятного взаимодействия с HfO₂.
В изготовленных на такой основе транзисторах с короткими каналами исследователям удалось уменьшить эквивалентную толщину затворного диэлектрика примерно до 1 нм, при этом не потеряв высокую подвижность носителей — именно сочетание этих двух характеристик обеспечило впечатляющую крутизну электронного прибора. Это важно для дальнейшего уменьшения размеров логических элементов: однослойный MoS₂ имеет толщину порядка 0,7 нм и поэтому значительно лучше кремния сопротивляется эффектам в коротких каналах при сильном масштабировании.
Работа пока демонстрирует технологический принцип, а не готовую замену кремниевым CMOS, однако показывает, что один из ключевых барьеров двумерной электроники — создание сверхтонкого затвора без деградации атомарного канала — можно преодолеть за счёт создания буферного интерфейса буквально на уровне нескольких атомов. Такой интерфейс становится важнейшей частью транзистора, влияя на его характеристики — перестаёт быть простой механической прокладкой для связывания диэлектрика и полупроводника.
Источник:
3DNews