Предложена технология создания транзисторов с рекордно малой длиной затвора
Исследователи описали технологию создания конструкции транзистора с минимальной длиной затвора транзистора, о которой когда-либо сообщалось. Он изготовлен из двух атомарно тонких материалов, а затвор имеет один атом углерода в поперечнике.
Структура транзистора. Черный — основа диоксида кремния, синий — графен, красный — слой алюминия/оксида алюминия, а желтый — диоксид молибдена. Слой оксида гафния не показан
Ключевой компонент транзистора изготовлен из края листа графена. Открытие атомарно тонких материалов, таких как графен и углеродные нанотрубки, отменило необходимость в изготовлении на кремнии элемента размером 1 нанометр, если можно просто использовать углеродную нанотрубку аналогичной ширины.
Таким образом, затвор транзистора размером 1 нанометр сделан из одной углеродной нанотрубки. Сложность заключалась в том, чтобы правильно разместить атомарно-тонкие материалы в нужной конфигурации для создания функционального устройства.
Стандартная конструкция транзистора состоит из двух проводящих электродов — истока и стока, — разделенных полупроводником. Состояние полупроводника, то есть то, является ли он проводящим или изолирующим, устанавливается третьим проводящим электродом, называемым затвором. Несмотря на то, что существует ряд критериев размера транзистора, длина затвора является одним из наиболее важных.
Кремний, вероятно, самый известный полупроводник, но существуют и атомарно тонкие полупроводники. Наиболее известным среди этих материалов является дисульфид молибдена. В 2021 году международная команда исследователей уже заявила о создании новых двумерных транзисторов из него толщиной от одного до нескольких атомов. Позднее исследователи Стэнфордского университета разработали технологию переноса одноатомных полупроводников из дисульфида молибдена на гибкую основу. Им удалось получить гибкие транзисторы толщиной всего 5 микрон.
Хотя дисульфид молибдена не такой тонкий, как один атом, из-за расположения его химических связей, он компактен. Исследователи использовали именно дисульфид молибдена в качестве полупроводникового материала. Электроды истока и стока представляли собой полоски металла, которые контактировали с ним.
В предыдущем 1-нанометровом устройстве затвор транзистора был сделан из одной углеродной нанотрубки. Добиться меньшего размера сложно, но возможно. Листы графена похожи на сплющенные углеродные нанотрубки: это листы из атомов углерода, связанных вместе. Хотя длина и ширина листа будут намного больше, чем у нанотрубки, его толщина будет составлять всего один атом углерода.
Секрет новой работы в ориентации края графенового листа. Исследователи отметили, что такую конструкцию достаточно легко изготовить, поскольку она не требует чрезвычайно точного позиционирования любого из атомарно тонких материалов.
Чтобы создать транзистор, исследователи начали со слоев кремния и диоксида кремния. Кремний был чисто конструкционным — в самом транзисторе его нет. Лист графена был наложен поверх кремния и диоксида кремния для создания материала затвора. Поверх исследователи поместили слой алюминия. Хотя алюминий является проводником, его оставляли на воздухе на несколько дней, в течение которых поверхность окислялась до оксида алюминия. Таким образом, нижняя поверхность листа графена была на диоксиде кремния, а сверху была покрыта оксидом алюминия, оба из которых являются изоляторами. Это позволило изолировать все, кроме края графена, от остальной части транзисторного оборудования.
Чтобы обнажить край графена, исследователи просто протравили край алюминия до нижележащего диоксида кремния. В итоге они смогли использовать лист графена в качестве затвора. На этом этапе все устройство покрыто тонким слоем оксида гафния, изолятором, который обеспечивает небольшое пространство между затвором и остальной частью оборудования. Край графена (теперь встроенный в стенку вертикальной части устройства) оказался в непосредственной близости от дисульфида молибдена. А длина затвора равнялась толщине листа графена — один атом углерода или 0,34 нанометра.
После этого исследователи создали десятки транзисторов с новой конструкцией. Некоторые продемонстрировали, что оборудование действительно работает как транзистор, хотя для этого требуется достаточно высокое напряжение.
Исследователи предложили множество способов улучшения транзистора.
По-настоящему важным является то, что они нашли способ действительно использовать преимущества наименьшего размера атомарно тонкого материала как части функционального транзистора. И они сделали это, не требуя особо точного позиционирования, когда в устройство добавляли графен и сульфид молибдена. Отчасти это связано с тем, что часть графена, которая нуждалась в точном позиционировании, — край — была создана методом травления. И дисульфид молибдена просто должен был быть расположен так, чтобы покрыть затвор и доходить до места подключения истока и стока.
