Tavoitteena atomisen ohuita transistoreita

Atomisen ohuita puolijohteita on pidetty yli kymmenen vuoden ajan lupaavimpina vaihtoehtoina piille.

Ohuemmat kerrokset parantavat sähköistä ohjausta, josta tulee ratkaisevan tärkeää transistoreiden pienentyessä. Atomaarisen ohuiden materiaalien käyttö voi kuitenkin vahingoittaa herkkää elektronista rajapintaa, aiheuttaa elektronien sirontaa ja heikentää insinöörien tavoittelemia suorituskyvyn parannuksia.

Puolijohdeyhteisö on vuosien ajan kohdannut epämukavan kompromissin: parantaa porttiohjausta tai säilyttää varauksenkuljettajien liikkuvuus, mutta harvoin molempia.

National Yang Ming Chiao Tung Universityn (NYCU) tutkijat, jotka työskentelevät yhdessä TSMC Corporate Researchin kanssa, raportoivat nyt uudesta rajapintasuunnittelustrategiasta, joka auttaa voittamaan tämän pitkään jatkuneen pullonkaulan.

Heidän tutkimustyö osoittaa, että puolijohteen ja sen eristävän kerroksen välisen atomirajan huolellinen uudelleensuunnittelu voi samanaikaisesti mahdollistaa aggressiivisen dielektrisen skaalauksen ja säilyttää korkean sähköisen suorituskyvyn atomisen ohuissa transistoreissa.

Tätä rajapintasuunnitteluun perustuvaa lähestymistapaa käyttäen tutkijat kehittivät lyhytkanavaisia yläporttitransistoreja, jotka oli valmistettu CVD-kasvatetusta yksikerroksisesta MoS₂:sta, jonka ekvivalentti oksidipaksuus oli lähellä yhtä nanometriä. Näillä rakenteilla oli alhainen vuotovirta, minimaalinen hystereesi ja maksimaalinen transkonduktanssi 0,45 mS μm⁻¹ transistoreissa, joissa oli noin 100 nanometrin kanavat.

NYCU:n tiimi keskittyi itse rajapinnan suunnitteluun sen sijaan, että olisi korvannut puolijohteen tai porttieristeen. He aloittivat kerrostamalla erittäin ohuen epitaksiaalisen alumiinikerroksen suoraan yksikerroksiselle molybdeenidisulfidille (MoS₂) ja hapettivat sen sitten huolellisesti noin 0,42 nanometrin paksuiseksi alumiinioksidiksi ennen korkean κ-arvon omaavan hafniumoksidisen porttieristeen lisäämistä.

Vaikka nyt suunniteltu rajapinta on vain murto-osan nanometrin paksuinen, sillä on kaksi tärkeää tehtävää samanaikaisesti. Ensinnäkin se tarjoaa tasaisen, jatkuvan pohjan hafniumoksidin tasaiselle kasvulle MoS₂-pinnalla.

Toiseksi se toimii atomipuskurina, joka vähentää sähköisiä interferenssejä eristeen ja puolijohteen välillä, mikä auttaa ylläpitämään elektronien virtausta transistorikanavassa. Sen sijaan, että rajapinta vain erottaisi kaksi materiaalia, se parantaa aktiivisesti niiden yhdistettyä toimintaa.

Ratkaisevasti nämä tulokset havainnollistavat harvinaista yhdistelmää aggressiivista dielektristä skaalausta, vahvaa sähköstaattista säätöä ja jatkuvaa varauksenkuljettajien kuljetusta: kolmea tulosta, joita on yleensä vaikea saavuttaa yhdessä atomitason ohuissa transistoreissa.

Koska työssä käytettiin CVD-kasvatettua yksikerroksista MoS₂:ta mekaanisesti kuorittujen hiutaleiden sijaan, tutkijat uskovat, että tämä menetelmä vie teknologiaa lähemmäksi tulevaisuuden kiekkojen valmistukseen soveltuvia materiaaleja.

”Kun transistorikomponenteista tulee vain muutaman atomikerroksen paksuisia, rajapinta ei ole enää vain materiaalien välinen raja, vaan siitä tulee laitteen aktiivinen osa”, sanoo tutkimuksen vastaava kirjoittaja, professori Tsung-En Lee. ”Näiden rajapintojen atomitason tarkkuuden suunnittelun oppiminen avaa uusia mahdollisuuksia tulevaisuuden puolijohderakenteiden suunnittelulle, joita olisi vaikea saavuttaa muuttamalla pelkästään yksittäisiä materiaaleja.”

Aiheesta aiemmin:

Memristoreita hafniumoksidista

Atomintarkkaa 2D-materiaalien integrointia