Изследователи от Тайван разработиха ултратънък буферен слой, който може да реши съществен проблем при транзисторите, базирани на двуизмерни полупроводници. Този междинен слой от алуминиев оксид е с дебелина приблизително 0,42 нм – колкото едва няколко атома – и позволява изолаторът да бъде разположен възможно най-близо до проводящия канал.
Експериментите включват използване на молибденов дисулфид (MoS₂) – материал, който може да бъде произведен под формата на лист с дебелина само един атом. Такива двуизмерни (2D) полупроводници се разглеждат като обещаващо направление за по-нататъшната миниатюризация на транзисторите, особено предвид факта, че намаляването на размерите на традиционните компоненти, базирани на силиций, става все по-трудно, отбелязва Interesting Engineering.
При стандартния транзистор управляващият електрод (гейт) контролира потока от електрони през полупроводников канал. Между тях е разположен диелектрик – електрически изолатор. Колкото по-тънък е този слой, толкова по-ефективно гейтът контролира тока – фактор, който е от решаващо значение с намаляване на размерите на транзисторите.
MoS₂ обаче поставя предизвикателство: повърхността му практически няма свободни химични връзки, което затруднява образуването на тънко и равномерно покритие, както при традиционните диелектрици. Това води до появата на микроскопични дефекти, позволяващи утечка на ток.
Освен това неравностите на границата между двата материала възпрепятстват потока на електрони и влошават работните характеристики на транзистора.
Изследователите от националния университет NUCY и TSMC решават този проблем, като използват вид атомна „основа“. Първо, те нанасят слой алуминий с дебелина около 0,3 нм върху повърхността на MoS₂, след което внимателно го окислява. Този процес създава непрекъснат междинен слой от алуминиев оксид с дебелина приблизително 0,42 нм.
Буферният слой изпълнява две функции едновременно. Първо, основният диелектрик се формира по-равномерно върху него, без микроскопични отвори, които биха могли да служат като пътища за утечка. Второ, буферният слой предпазва полупроводниковия канал от електрически дефекти и от влиянието на разположения отгоре изолатор.
Използвайки тази нова технология, учените са създали експериментални транзистори на базата на MoS₂. Получената структура постига ефективност на управление чрез гейта, съпоставима с тази при слой от силициев диоксид с дебелина около 1 нм, като същевременно запазва ниски нива на утечка на ток и добра подвижност на токоносителите.
Така един-единствен свръхтънък междинен слой едновременно решава три противоречиви предизвикателства в 2D електрониката: постигане на изключителна тънкост на изолатора, поддържане на ефективен контрол на гейта върху канала и избягване на влошаването на електронния транспорт.
Масовото производство обаче все още е далечна перспектива. Експерименталният процес включва пренос на слоеве от MoS₂, нанасяне на материали в условия на свръхвисок вакуум и извършване на прецизно контролирано окисление. Всички тези етапи трябва да бъдат опростени и адаптирани за промишлено производство на полупроводници.
Изследователите смятат, че с приближаването до атомни размери на транзисторите, търсенето на нови полупроводникови материали не е единственият приоритет; контролът върху границите на раздела между различните материали – буквално на ниво отделни атоми – е също толкова критичен.
