Výzkumníci z taiwanské National Yang Ming Chiao Tung University (NYCU) a Corporate Research společnosti TSMC vyvinuli způsob, jak zlepšit elektrické vlastnosti tranzistorů založených na atomově tenkém polovodiči. Pracovali s jednovrstvým sulfidem molybdeničitým (MoS₂), materiálem tvořeným vrstvou atomů o tloušťce několika desetin nanometru. Podle studie zveřejněné v časopise Nature Electronics se jim podařilo spojit velmi tenkou hradlovou izolaci se zachováním účinného transportu nosičů náboje v polovodiči.
Tranzistor řídí elektrický proud v kanálu pomocí hradla, které je od kanálu elektricky odděleno dielektrikem. Čím účinněji hradlo kanál ovládá, tím lépe lze tranzistor zapínat a vypínat při nízkém napětí. U dvourozměrných polovodičů je však obtížné vytvořit na jejich povrchu souvislou a velmi tenkou izolační vrstvu. Běžně používané dielektrické materiály mohou na rozhraní vytvářet poruchy a rozptylovat elektrony. To snižuje jejich pohyblivost, a tím i výkon součástky.
Autoři se proto nezaměřili především na změnu samotného polovodiče, ale na rozhraní mezi MoS₂ a dielektrikem. Přímo na jednovrstvý MoS₂ nejprve v podmínkách ultravysokého vakua nanesli epitaxní hliníkový film. Epitaxní růst znamená, že uspořádání vznikající vrstvy navazuje na krystalovou strukturu podkladu. Hliník následně oxidovali při nízkém tlaku, čímž vznikla mezivrstva oxidu hlinitého o tloušťce zhruba 0,42 nm. Na ni pak nanesli oxid hafničitý, materiál s vysokou relativní permitivitou používaný jako hradlové dielektrikum.
Mezivrstva měla podle autorů dvě funkce. Umožnila rovnoměrnější integraci oxidu hafničitého na povrch MoS₂ a současně omezila rozptyl elektronů vyvolaný dielektrikem. Právě kombinace nízké ekvivalentní tloušťky oxidu, krátkého kanálu a zachované pohyblivosti nosičů náboje patří u dvourozměrných tranzistorů k obtížně slučitelným požadavkům.
Elektrická kontrola bez výrazné ztráty mobility
Výzkumníci vyrobili tranzistory s horním hradlem z monovrstvého MoS₂ připraveného chemickou depozicí z plynné fáze, známou pod zkratkou CVD. Tento postup je důležitý pro výzkum elektroniky, protože na rozdíl od mechanicky oddělených malých vloček materiálu může směřovat k výrobě na větších plochách. Ekvivalentní tloušťka oxidu v jejich hradlovém systému činila přibližně 1 nm. Tento parametr vyjadřuje, jak silný by musel být oxid křemičitý, aby měl stejnou elektrickou kapacitu jako použitá dielektrická vrstva.
U součástek s kanálem dlouhým přibližně 100 nm dosáhli maximální transkonduktance 0,45 mS na mikrometr šířky kanálu. Transkonduktance udává, jak výrazně hradlové napětí mění proud procházející tranzistorem; je proto jedním z ukazatelů schopnosti součástky zesilovat signál a rychle spínat. Studie zároveň uvádí nízký svodový proud a malou hysterezi, tedy omezenou závislost elektrické odezvy na předchozím nastavení hradlového napětí.
Výsledek neznamená, že by tranzistory z MoS₂ byly připraveny nahradit křemík v běžných čipech. Práce ukazuje vlastnosti konkrétních laboratorních součástek a autoři sami uvádějí potřebu další optimalizace výrobního procesu pro velkosériovou produkci. Význam studie spočívá v tom, že demonstruje roli rozhraní: v součástkách, jejichž aktivní vrstvy mají rozměry srovnatelné s několika atomy, může i mezivrstva tenčí než půl nanometru rozhodovat o tom, zda zůstane zachována elektrická kontrola i transport elektronů.
Zdroj: ScienceDaily
Tento článek byl vytvořen s pomocí umělé inteligence a redakčně zkontrolován.