В полевом транзисторе затвор управляет током через полупроводниковый канал с помощью электрического поля. Между затвором и каналом находится изолирующий слой — затворный диэлектрик. Чем меньше его эффективная толщина, тем сильнее электрическое поле затвора воздействует на канал и тем лучше можно управлять током. Поэтому толщину диэлектрика современных транзисторов стремятся уменьшать, однако слишком тонкий слой может ухудшать характеристики самого канала.
Каналом транзистора выступает MoS₂ — двумерный полупроводник толщиной около 0,7 нм. Проблема в том, что на его поверхности практически отсутствуют свободные химические связи, за которые могли бы «зацепиться» атомы обычного изолятора. Поэтому при нанесении диэлектрика непосредственно на MoS₂ могут образовываться неоднородности и микроскопические отверстия. Они создают пути для утечки тока, а взаимодействие с диэлектриком может дополнительно рассеивать электроны и снижать их подвижность.
Чтобы решить эту проблему, исследователи сначала нанесли на слой MoS₂ пленку алюминия толщиной 0,3 нм, а затем окислили ее. В результате образовался непрерывный слой оксида алюминия (Al₂O₃) толщиной 0,42 нм. Поверх него ученые смогли равномерно сформировать основной затворный диэлектрик из оксида гафния (HfO₂).
Ультратонкий слой выполняет сразу две функции. Во-первых, он служит своеобразной грунтовкой — создает поверхность, на которой HfO₂ может формироваться равномерно, без микроскопических пустот. Во-вторых, он отделяет MoS₂ от основного диэлектрика и снижает его негативное влияние на движение электронов.
С помощью новой технологии ученые изготовили экспериментальные транзисторы на основе MoS₂. Их конструкция обеспечила управление каналом, сопоставимое с тем, которое дает слой диоксида кремния толщиной около 1 нм, при этом утечки тока оставались низкими, а перенос носителей заряда — эффективным.
Таким образом, исследователи смогли одновременно уменьшить толщину затворного диэлектрика и сохранить необходимые характеристики транзистора.
Авторы считают, что по мере уменьшения размеров транзисторов все большее значение будет иметь не только выбор полупроводника, но и управление границей между материалами на атомном уровне. При этом до промышленного применения технологии еще далеко. Нынешний процесс требует осаждения материалов в сверхвысоком вакууме и тщательно контролируемого окисления, поэтому его еще предстоит упростить и масштабировать.
