Физтехи решили ключевую проблему на пути к промышленным транзисторам на дисульфиде молибдена атомарной толщины. Такие транзисторы в разы меньше самых миниатюрных кремниевых аналогов и могут использоваться для создания гибкой и прозрачной электроники. Результаты работы опубликованы в журнале Vacuum.
Современные процессоры содержат миллиарды транзисторов. Инженеры десятилетиями уменьшали их, чтобы чипы становились быстрее и экономичнее. Но кремний подошел к физическому пределу. Когда размер затвора транзистора становится меньше пяти нанометров, электроны «просачиваются» сквозь запирающий барьер даже в выключенном состоянии, транзистор перестает надежно переключаться, а энергопотребление и нагрев резко возрастают.
Альтернативой выступают двумерные полупроводники — материалы толщиной в несколько атомов. Один из них — дисульфид молибдена, толщина монослоя которого — 0,65 нм. Структура на его основе обеспечивает идеальный электростатический контроль и позволяет подавить токи утечки.
Главная проблема на пути к его применению — при вакуумном напылении электродов разрушается хрупкая структура материала. Атомы металла буквально выбивают атомы серы с поверхности, создавая дефекты и нарушая электрический контакт.
«Двумерные материалы давно обещают революцию в микроэлектронике, но между лабораторией и реальным производством стоит целый ряд технологических проблем. Одна из них — как подключить металлический электрод к материалу толщиной в атом, не разрушив его. Наша работа дает конкретный ответ на этот вопрос», — рассказал Роман Романов, старший научный сотрудник лаборатории атомно-слоевого осаждения МФТИ.
Ученые МФТИ решили эту проблему, напылив между электродом и полупроводником изолирующую прослойку из диоксида титана толщиной всего в несколько атомов при помощи атомно-слоевого осаждения.
«Эта прослойка выполняет роль “туннельного буфера”. С одной стороны, она химически пассивирует поверхность, не позволяя атомам металла нарушать структуру полупроводника. С другой — она настолько тонка, что электроны свободно проходят сквозь нее за счет квантового эффекта туннелирования», — прокомментировал Илья Завидовский, старший научный сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.
Чтобы добиться равномерного роста оксида титана на двумерном материале и обеспечить их взаимодействие, ученые облучили поверхность MoS₂ низкоэнергетическими ионами гелия. Такие ионы выбивают из поверхности лишь единичные атомы серы, оставляя на их месте микроскопические «пустые места» — вакансии. В этих точках молекулы химически связываются с поверхностью в начале роста плёнки TiO₂.
«Мы показали, что с помощью дозированного облучения ионами гелия можно вырастить по-настоящему сплошной слой TiO₂ толщиной около нанометра — и на монокристалле, и на тонкой CVD-плёнке MoS₂. Также мы впервые доказали, что любая “дырка” в этом слое, любой непокрытый участок поверхности, немедленно ухудшает электрические свойства всего контакта. Это меняет требования к технологии», — пояснил Роман Романов.
Этот подход универсален и применим к целому классу других двумерных материалов — дисульфиду вольфрама, селенидам молибдена и вольфрама. Его можно внедрять на реальных производствах без радикальной перестройки процессов, так как атомно-слоевое осаждение давно освоено промышленностью.
Технология в перспективе позволит создавать транзисторы компактнее самых передовых современных кремниевых аналогов, а также гибкие и прозрачные электронные устройства.
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда и Министерства науки и высшего образования РФ.
