Новый метод повышает производительность атомарно тонких транзисторов

Jan 30, 2024

Джон Тиммер — 21 марта 2023 г., 15:55 UTC

Атомно тонкие материалы, такие как графен, представляют собой отдельные молекулы, в которых все химические связи ориентированы так, что образующаяся молекула образует лист. Они часто обладают отличительными электронными свойствами, которые потенциально могут позволить производить электронику с невероятно маленькими элементами толщиной всего в пару атомов. И существует ряд примеров функционального оборудования, построенного из этих двумерных материалов.

Но почти во всех примерах до сих пор использовалась конструкция, сделанная на заказ, иногда с участием исследователей, манипулирующих отдельными кусочками материала вручную. Таким образом, мы еще не достигли того момента, когда сможем массово производить сложную электронику из этих материалов. Но опубликованная сегодня статья описывает метод производства транзисторов на основе двумерных материалов в масштабе пластины. И полученные транзисторы работают более стабильно, чем те, которые изготовлены с использованием более традиционных подходов к производству.

Большая часть усилий, направленных на упрощение производства электроники на основе атомно тонких материалов, включала интеграцию этих материалов в традиционные технологии производства полупроводников. Это имеет смысл, поскольку эти методы позволяют нам выполнять невероятно мелкие манипуляции с материалами в больших объемах. Обычно это означает, что большая часть металлической проводки, необходимой для электроники, устанавливается на традиционном производстве. Затем 2D-материал накладывается поверх металла и проводится дополнительная обработка для формирования функциональных транзисторов.

Часто эта «дополнительная обработка» включает наложение металла поверх 2D-материала. Исследователи, стоящие за этой работой, утверждают, что этот метод, вероятно, не лучший способ делать что-то. Нанесение металла может повредить 2D-материал, а некоторые отдельные атомы металла потенциально могут диффундировать в 2D-материал, создавая небольшие короткие замыкания внутри более крупного элемента. Все это ухудшает производительность любой схемы, созданной с использованием этой технологии.

Поэтому команда нашла способ сформировать все отдельные части схемы отдельно и собрать их вместе в щадящих условиях. Самой простой частью было формирование затворов транзисторов, которые просто наносились на твердую подложку, а затем покрывались оксидом алюминия.

Отдельно команда сформировала однородный лист атомарно тонкого материала (дисульфида молибдена) поверх поверхности диоксида кремния путем химического осаждения из паровой фазы. Затем этот лист подняли и перенесли поверх оксида алюминия, в результате чего поверх затвора оказался атомарно тонкий слой полупроводника. Чтобы создать транзистор, исследователям просто не хватило электродов истока и стока.

Они были сделаны полностью отдельно путем формирования всей проводки поверх твердой поверхности. Затем проводку встроили в полимер, и все это отделили от поверхности, создав лист полимера с проводами, встроенными в его нижнюю поверхность. Сам по себе этот полимер достаточно гибок, чтобы растягиваться или деформироваться, поэтому проводка не будет совпадать с затворами, как это необходимо для формирования функциональных цепей. Чтобы ограничить эти искажения, исследователи связали полимер с листом кварца, а затем нанесли его на пластину, покрытую электродами затвора. В результате проводка располагалась прямо поверх дисульфида молибдена, завершая формирование функциональных транзисторов.

Когда все было на месте, полимер можно было удалить в мягких условиях, а любой лишний материал можно было удалить с помощью плазменного травления. Результатом стала коллекция транзисторов, в которых соединение полупроводника с электродами истока и стока просто образовано физическим расположением материалов рядом друг с другом. Это ограничивает возможность повреждения атомарно тонкого полупроводникового материала.

Хотя вся необходимая здесь обработка намного мягче, чем при типичном производстве полупроводников, такое производство упрощает дело, формируя все элементы там, где они в конечном итоге необходимы. Чтобы этот подход работал, электроды истока и стока изготавливаются отдельно от затвора, и после этого их необходимо установить на место. Для схем с небольшими функциями это требует невероятно точного выравнивания.