TSMC und taiwanesische Wissenschaftler haben einen 2-D Transistor aus MoS₂ mit atomarem Puffer entwickelt
- TSMC hat zusammen mit taiwanesischen Wissenschaftlern einen 2-D MoS₂ Transistor entwickelt.
- Der atomare Puffer aus Al₂O₃ ermöglicht die fehlerfreie Abscheidung von HfO₂.
- Die äquivalente Gate-Dicke erreichte ~1 nm bei hoher Beweglichkeit.
- Die Technologie ist derzeit noch demonstrativ, eröffnet jedoch den Weg zur Skalierung.
Die Verkleinerung der Siliziummikrochips nähert sich physikalischen Grenzen, und die Branche sucht zunehmend nach alternativen Halbleitermaterialien. Zweidimensionale Kristalle wie MoS₂ ziehen aufgrund ihrer Dicke von ein bis zwei atomaren Schichten (etwa 0,7 nm) und potenziell besserer Steuerbarkeit des Kanals bei starker Skalierung Aufmerksamkeit auf sich.
Die praktische Implementierung von MoS₂ steht jedoch vor einem ernsthaften Hindernis – der Unmöglichkeit, ein qualitativ hochwertiges Gate-Dielektrikum zu bilden. Die Standardmethode der atomaren Schichtabscheidung (ALD) passt schlecht auf die nahezu chemisch inaktive Oberfläche des 2D-Kristalls, und die Verwendung von Hoch-k-Materialien wie HfO₂ führt zu einer Streuung der Elektronen und einem Rückgang ihrer Mobilität.
Neuer technologischer Ansatz
Die Forscher lösten das Problem, indem sie eine atomar dünne Puffer-Schicht zwischen MoS₂ und dem Gate-Dielektrikum schufen. In einem ultrahohen Vakuum wurde Aluminium mit einer Dicke von etwa 0,3 nm durch Elektronenstrahlverdampfung auf die Oberfläche von MoS₂ aufgebracht. Aufgrund der van-der-Waals-Natur von MoS₂ wuchs das Aluminium in der Orientierung Al(111), wonach es kontrolliert oxidiert wurde, um eine homogene Schicht von Al₂O₃ zu erhalten.
Die erhaltene Al₂O₃-Schicht diente als ideale Grundlage für die anschließende ALD-Abscheidung eines Dielektrikums mit hoher dielektrischer Permittivität – HfO₂. Der Puffer sorgte gleichzeitig für eine glatte Oberfläche für das Wachstum von HfO₂ und isolierte den Kanal von MoS₂ vor unerwünschten Wechselwirkungen mit diesem Material.
Durch die erhaltenen Transistoren mit kurzem Kanal konnte die äquivalente Dicke des Gates auf etwa 1 nm reduziert werden, ohne die Beweglichkeit der Ladungsträger zu verschlechtern. Diese Kombination führte zu einer hohen Steilheit des Stromübergangs, was ein entscheidendes Merkmal für energieeffiziente logische Elemente ist.
Einlagiges MoS₂, das nur 0,7 nm dicker ist, zeigt eine bessere Beständigkeit gegen Kurzkanaleffekte im Vergleich zu Silizium, was es zu einem attraktiven Kandidaten für die weitere Verkleinerung der logischen Knoten macht.
Derzeit stellt die Arbeit ein technologisches Prinzip dar und nicht einen fertigen Ersatz für siliziumbasiertes CMOS. Dennoch bestätigt sie, dass die Hauptbarriere der zweidimensionalen Elektronik – die Schaffung eines ultradünnen Gates ohne Degradation des atomaren Kanals – durch eine atomare Pufferoberfläche überwunden werden kann, die bereits ein wesentlicher Bestandteil zukünftiger Transistoren wird.
Quelle: 3DNews
