Μερικά άτομα οξειδίου του αλουμινίου θα μπορούσαν να επιλύσουν έναν βασικό συμβιβασμό που περιορίζει την τεχνολογία ημιαγωγών 2D επόμενης γενιάς
Ταϊβανέζοι ερευνητές ανέπτυξαν ένα νέο, ατομικά λεπτό «αστάρι» για το δισουλφίδιο του μολυβδαινίου (MoS₂), το οποίο επιτρέπει την τοποθέτηση ενός εξαιρετικά λεπτού μονωτή πύλης από πάνω, χωρίς είτε να αφήνονται κενά στη μόνωση είτε να διαταράσσεται η ροή των ηλεκτρονίων από κάτω.
Ένα σύγχρονο τρανζίστορ είναι ουσιαστικά ένας ηλεκτρικά ελεγχόμενος διακόπτης. Συνήθως αποτελείται από ένα κανάλι ημιαγωγού (στη συγκεκριμένη περίπτωση, ένα ατομικά λεπτό φύλλο MoS₂) με μια μεταλλική «πύλη» από πάνω. Μεταξύ της πύλης και του ημιαγωγού υπάρχει ένας ηλεκτρικός μονωτής, ο οποίος ονομάζεται διηλεκτρικό πύλης.
Η εφαρμογή τάσης στην πύλη δημιουργεί ένα ηλεκτρικό πεδίο μέσω του μονωτή. Το πεδίο αυτό καθορίζει εάν τα ηλεκτρόνια μπορούν να ρέουν μέσω του MoS₂ από την πηγή προς την απαγωγή.
Επειδή η πύλη ελέγχει το κανάλι ηλεκτροστατικά, όσο πιο κοντά βρίσκεται η πύλη στο κανάλι, τόσο ισχυρότερη είναι η επιρροή της.
Για να το οπτικοποιήσουμε αυτό, φανταστείτε ότι προσπαθείτε να μετακινήσετε έναν μικρό μαγνήτη με έναν άλλο μαγνήτη. Σε απόσταση 10 cm, ο έλεγχός σας δεν είναι ιδιαίτερα καλός. Σε απόσταση 1 mm, μπορείτε να τον χειριστείτε με πολύ μεγαλύτερη ακρίβεια. Ωστόσο, τα σύγχρονα τρανζίστορ πλησιάζουν πλέον σε αποστάσεις μόλις λίγων ατόμων.
Ατομικά λεπτά τρανζίστορ
«Το να κάνουμε τον μονωτή λεπτότερο ήταν μόνο ένα μέρος της πρόκλησης», εξήγησε ο καθηγητής Wen-Hao Chang, αντίστοιχος συγγραφέας της μελέτης στο NYCU.
«Χρειαζόταν επίσης να προστατεύσουμε τον ατομικά λεπτό ημιαγωγό από κάτω. Η προσέγγισή μας ήταν να σχεδιάσουμε μια διεπιφάνεια που επιτυγχάνει και τα δύο, προωθώντας τον ομοιόμορφο σχηματισμό του μονωτικού στρώματος και παρέχοντας ένα ρυθμιστικό στρώμα που διατηρεί την αποτελεσματική ροή των ηλεκτρονίων», πρόσθεσε.
Το MoS₂ περιπλέκει τα πράγματα, επειδή η επιφάνειά του στερείται των ελεύθερων χημικών δεσμών που απαντώνται στις επιφάνειες πολλών συμβατικών ημιαγωγών. Ως αποτέλεσμα, τα παραδοσιακά μονωτικά υλικά μπορεί να δυσκολεύονται να σχηματίσουν ομαλά, συνεχή στρώματα πάνω του.
Ελαττώματα στη διεπιφάνεια που προκύπτει μπορούν να επιτρέψουν ηλεκτρικές διαρροές, ενώ παράλληλα διασκορπίζουν τα ηλεκτρόνια που κινούνται μέσα στο MoS₂, μειώνοντας την κινητικότητα των φορέων.
Για να προσπαθήσουν να ξεπεράσουν αυτό το πρόβλημα, οι ερευνητές το αντιμετώπισαν τοποθετώντας ένα εξαιρετικά λεπτό ρυθμιστικό στρώμα μεταξύ του ημιαγωγού και του κύριου μονωτικού στρώματος. Αρχικά εναπόθεσαν περίπου 0,3 νανόμετρα αλουμινίου πάνω στο MoS₂ και στη συνέχεια το οξείδωσαν προσεκτικά.
Αυτό παρήγαγε ένα συνεχές στρώμα οξειδίου του αλουμινίου πάχους περίπου 0,42 νανομέτρων. Παρά το γεγονός ότι έχει πάχος μόλις λίγων ατόμων, το στρώμα επιτελεί δύο σημαντικές λειτουργίες.
Πρώτον, παρέχει μια κατάλληλη επιφάνεια πάνω στην οποία μπορεί να σχηματιστεί ομοιόμορφα το κύριο διηλεκτρικό, εξαλείφοντας μικροσκοπικά κενά που διαφορετικά θα μπορούσαν να δημιουργήσουν διαδρομές διαρροής.
Δεύτερον, συμβάλλει στην προστασία του καναλιού MoS₂ από ηλεκτρικές διαταραχές που σχετίζονται με το διηλεκτρικό από πάνω του, επιτρέποντας στα ηλεκτρόνια να κινούνται πιο ελεύθερα μέσα στον ημιαγωγό.
Χρειάζεται περισσότερη δουλειά
Χρησιμοποιώντας την τεχνική, οι ερευνητές κατασκεύασαν τρανζίστορ MoS₂ με ένα διηλεκτρικό πύλης που προσφέρει ηλεκτρικό έλεγχο αντίστοιχο με περίπου ένα νανόμετρο διοξειδίου του πυριτίου, διατηρώντας παράλληλα χαμηλή διαρροή και ισχυρή μεταφορά φορέων.
Το επίτευγμα, εξηγούν, αντιμετωπίζει έναν δύσκολο συμβιβασμό τριών παραμέτρων στα ηλεκτρονικά 2D: την ταυτόχρονη παραγωγή ενός εξαιρετικά λεπτού διηλεκτρικού πύλης, ισχυρού ηλεκτροστατικού ελέγχου και υψηλής κινητικότητας ηλεκτρονίων.
Ευρύτερα, τα αποτελέσματα αναδεικνύουν τον τρόπο με τον οποίο μπορεί να αλλάξει η ανάπτυξη των τρανζίστορ καθώς οι συσκευές προσεγγίζουν τις ατομικές διαστάσεις. Αντί να αναζητούν απλώς νέα υλικά ημιαγωγών, οι μηχανικοί μπορεί να χρειαστεί ολοένα και περισσότερο να χειρίζονται τις διεπιφάνειες μεταξύ υφιστάμενων υλικών άτομο προς άτομο.
Σημαντικές προκλήσεις κατασκευής παραμένουν. Η πειραματική διαδικασία περιλαμβάνει μεταφορά MoS₂, εναπόθεση σε υπερυψηλό κενό και προσεκτικά ελεγχόμενη οξείδωση, διαδικασίες που θα πρέπει να απλοποιηθούν και να κλιμακωθούν προτού η τεχνική μπορέσει να εισέλθει στην εμπορική παραγωγή ημιαγωγών.
«Όταν τα εξαρτήματα των τρανζίστορ έχουν πάχος μόλις λίγων ατομικών στρωμάτων, η διεπιφάνεια γίνεται αναπόσπαστο μέρος της συσκευής και όχι απλώς ένα όριο. Η κατάκτηση του ελέγχου των διεπιφανειών σε ατομικό επίπεδο θα μπορούσε να επιτρέψει στους μηχανικούς να βελτιώσουν τα τρανζίστορ ενισχύοντας τη συνέργεια των υλικών, πέρα από την απλή ανακάλυψη νέων υλικών», πρόσθεσε ο καθηγητής Tsung-En Lee της TSMC και του NYCU.
(Μπορείτε να δείτε τη μελέτη στο περιοδικό Nature Electronics)
www.worldenergynews.gr
