Исследователи утверждают, что упущенные из виду зазоры в 0,14 нм могут ограничивать масштабирование чипов для многих перспективных двумерных материалов.
Исследователи из Венского технического университета утверждают, что давно игнорируемый наноразмерный зазор между ультратонкими двумерными материалами и изолирующими слоями может препятствовать тому, чтобы многие перспективные материалы для микросхем обеспечили ожидаемый полупроводниковой промышленностью прогресс в миниатюризации.
Команда исследователей обнаружила, что ряд двумерных материалов, высоко ценимых за свои электронные свойства, могут оказаться непригодными после внедрения в реальные устройства. Проблема заключается не в самом материале, а в том, как он взаимодействует с изолирующим оксидным слоем, необходимым внутри транзистора.
Двумерные материалы, такие как графен и дисульфид молибдена, рассматриваются как потенциальные кандидаты для будущих микросхем, поскольку они имеют толщину всего в один или несколько атомных слоев. Это делает их привлекательными для создания более компактной и энергоэффективной электроники.
Однако исследователи из Венского технического университета утверждают, что разработчики устройств не могут оценивать эти материалы изолированно. При сочетании с изоляторами многие комбинации образуют неизбежное микроскопическое разделение, которое ослабляет электрический контроль.
Проблема скрытого зазора
«На протяжении многих лет исследователи совершенно справедливо были очарованы замечательными электронными свойствами новых двумерных материалов, таких как графен или дисульфид молибдена», — сказал профессор Махди Пурфат.
«Однако часто упускается из виду тот факт, что одного лишь двумерного материала недостаточно для создания электронного устройства. Нам также необходим изолирующий слой — обычно это оксид».
В транзисторе затвор переключает полупроводник между проводящим и непроводящим состояниями.
Для эффективного достижения этой цели затвор должен быть отделен от активного канала максимально тонким изолирующим слоем.
Однако исследователи обнаружили, что слабая связь между многими двумерными материалами и оксидами создает зазор около 0,14 нанометра.
Несмотря на свою крошечность, это резко снижает емкостную связь между слоями и ограничивает эффективность управления устройством с помощью затвора.
«Во многих сочетаниях двумерных материалов и изоляционных слоев связь между ними относительно слабая», — сказал профессор Тибор Грассер.
«Они удерживаются вместе лишь так называемыми силами Ван дер Ваальса».
Команда заявила, что этот зазор может стать настоящим узким местом в уменьшении размеров будущих чипов, независимо от того, насколько убедительными окажутся внутренние свойства материала в лабораторных испытаниях.
Впереди лучшие материалы
Исследователи также наметили дальнейший путь развития, используя так называемые «материалы-молнии». В таких структурах полупроводник и изолятор сцепляются гораздо прочнее, а не остаются слабо связанными.
Более прочное соединение может устранить проблемный зазор и восстановить электрические характеристики, необходимые для дальнейшего масштабирования транзисторов.
«Если полупроводниковая промышленность хочет добиться успеха с 2D-материалами, активный слой и изоляционный слой должны проектироваться вместе с самого начала», — сказал Пурфат.
«Наша работа – хорошая новость для полупроводниковой промышленности», – сказал Грассер.
«Мы можем предсказать, какие материалы подходят для будущих этапов миниатюризации, а какие — нет».
Полученные результаты могут помочь производителям микросхем избежать значительных затрат на материальные системы, которые сталкиваются с жесткими физическими ограничениями до начала коммерческого производства.
В условиях, когда полупроводниковая промышленность ищет замену кремнию, исследование предполагает, что следующий прорыв может зависеть не столько от какого-либо одного чудо-материала, сколько от проектирования интерфейса между несколькими слоями.
Результаты исследования были опубликованы в журнале Science.
Sourse: interestingengineering.com
