Транзисторы на основе двумерных (2D) полупроводников, таких как дисульфид молибдена (MoS2 ) и диселенид вольфрама (WSe2 ) , могут превзойти обычные кремниевые транзисторы, при этом их легче уменьшить в размерах. Для хорошей работы эти транзисторы должны быть основаны на высококачественных диэлектрических материалах, которые может быть сложно приготовить.

Исследователи из Наньянского технологического университета, Нанкинского университета аэронавтики и астронавтики недавно представили новую многообещающую стратегию подготовки диэлектрических материалов для этих транзисторов. Их подход, изложенный в статье, опубликованной в Nature Electronics , был успешно использован для осаждения сверхтонкого и однородного собственного оксида галлия Ga 2 O 3 на поверхность MoS 2 .

«Традиционные методы подготовки диэлектрического слоя, такие как атомно-слоевое осаждение (ALD), сталкиваются с проблемами качества из-за высококачественной поверхности двумерных полупроводников без достаточного количества точек зародышеобразования, особенно при малой толщине до нескольких нанометров», — рассказал Конгянг Йи, первый автор статьи, изданию Tech Xplore.

«Еще в 2017 году в новаторской статье сообщалось о методе получения сверхтонкого и однородного оксида из жидкого металла . Прочитав ее, я начал задаваться вопросом, можно ли использовать эти оксиды в качестве диэлектрического слоя в транзисторах на основе двумерных полупроводников без упомянутых выше проблем».

Основываясь на этой предыдущей исследовательской работе, Йи и его коллеги решили проверить потенциал этого подхода с использованием оксида Ga 2 O 3 , который, как известно, демонстрирует надежные диэлектрические свойства. Их целью было разработать надежный метод интеграции этого оксида в 2D-транзисторы, в частности, в качестве диэлектрического слоя, а затем оценить производительность полученных транзисторов.

«Метод, основанный на поверхностном натяжении, используемый для приготовления крупномасштабного Ga 2 O 3, был уникальным методом, предложенным в этой работе», — пояснил Йи. «Процесс включает несколько этапов. Во-первых, надавливание капли жидкого галлия на целевой субстрат и замораживание ее до твердого состояния, в результате чего остается тонкая твердая пленка галлия. Во-вторых, ее быстрый нагрев».

Когда исследователи нагрели свой образец, тонкая твердая пленка галлия мгновенно расплавилась. Поскольку этот жидкий металл имеет очень сильное поверхностное натяжение, расплавленный жидкий галлий автоматически агрегировался, осаждая свою собственную оксидную пленку на подложке.

«Уникальное преимущество нашего подхода заключается в том, что его можно использовать для легкого приготовления сверхтонкого и однородного оксида высокого качества на поверхности 2D-полупроводников, без потенциальных проблем, возникающих при традиционных методах осаждения», — сказал Йи. «Используя этот метод, мы приготовили сверхтонкий и однородный Ga 2 O 3 непосредственно на 2D-полупроводниках (MoS 2 ), а затем изготовили транзисторы».

Группа исследователей провела ряд тестов для оценки потенциала их оксида металла в качестве диэлектрического слоя. Примечательно, что сверхтонкий и однородный Ga 2 O 3 менее 3 нм был легко интегрирован в транзисторы MoS 2 посредством взаимодействия Ван-дер-Ваальса. 2D-транзисторы, изготовленные с использованием их стратегии, показали подпороговый размах до 60 мВ дек −1 , отношение вкл/выкл 10 8 и утечку затвора примерно до 4 × 10 −7  А см −2 .

Ключевым преимуществом их подхода является то, что высококачественный интерфейс Ван-дер-Ваальса может быть легко получен, что улучшает производительность устройства. Между тем, его легко реализовать, и, таким образом, он может способствовать крупномасштабному производству 2D-транзисторов.

« В последние годы сообщалось о других потенциальных методах более эффективного использования этого природного оксида галлия (контроль толщины и крупномасштабная подготовка)», — сказал Йи. «Мы считаем, что при дальнейших улучшениях в будущем этот оксид можно будет использовать для изготовления различных электронных устройств».

Недавнее исследование этой группы исследователей открывает новые возможности для изготовления 2D-транзисторов с диэлектрическими слоями на основе оксида галлия. В будущем стратегия интеграции, представленная Йи и его коллегами, может также использоваться для изготовления более сложных схем с более широким набором функций.

«Теперь мы планируем усовершенствовать метод, основанный на поверхностном натяжении», — добавил Йи. «В настоящее время он реализуется с помощью ручных операций, а подготовка в масштабе пластины не идеальна по сравнению с традиционными методами. Мы надеемся, что сможем реализовать высококачественную подготовку на всей пластине и продемонстрировать больше приложений в масштабе пластины, таких как интегральные схемы».