Наноточки из угля помогли создать тонкую изоляцию для новых транзисторов

Исследователи Университета Иллинойса в Урбана-Шампейне и Национальной лаборатории энергетических технологий США нашли применение углю в создании двумерной электроники. Полученные из него углеродные наноточки помогают выращивать сверхтонкие изолирующие слои на полупроводниках. Работа опубликована в Nature Communications.

Почему тонкому полупроводнику нужен промежуточный слой

Двумерные материалы, например дисульфид молибдена, могут сохранять полезные электронные свойства при толщине в один атомный слой. Это делает их перспективными для дальнейшего уменьшения транзисторов. Однако на такой поверхности трудно выращивать качественный изолятор, необходимый для работы устройства.

Причина связана с отсутствием свободных химических связей на поверхности. Для движения электронов это преимущество, а для нанесения других слоёв — препятствие. Команда Цин Цао использовала углеродные наноточки из каменного угля как связующее между двумерным материалом и оксидным изолятором.

Наноточки имеют ширину от одного до пяти нанометров и толщину в один атомный слой. Их плоские поверхности взаимодействуют с полупроводником без изменения его химической структуры, а группы по краям связываются с растущим оксидом. Таким образом, наноточки служат центрами роста диэлектрика, а не заменяют его угольной плёнкой.

Какие результаты получили в лаборатории

Исследователи сформировали плотный монослой наноточек на поверхности воды, перенесли его на полупроводник и вырастили оксид методом атомно-слоевого осаждения. Испытания показали следующие характеристики:

• Эквивалентная толщина оксида составила 0,6 нанометра.
• Плотность тока утечки оказалась ниже 0,1 миллиампера на квадратный сантиметр.
• Полевые транзисторы и логические элементы работали примерно при 0,5 вольта.
• Полученные изолирующие слои превысили целевые характеристики, указанные в отраслевой дорожной карте IEEE.

Эквивалентная толщина оксида описывает электрические свойства изоляции и не означает, что весь транзистор имеет размер 0,6 нанометра. Напряжение около 0,5 вольта ниже приведённого авторами диапазона 0,6–0,8 вольта для современных передовых кремниевых технологий и указывает на возможность снизить энергозатраты вычислений.

Чистота материала важнее его происхождения

Значительная часть работы была посвящена очистке и характеристике наноточек. Для производства микросхем недопустимы примеси, несовместимые со стандартными технологическими процессами. Исследователи проверяли, чтобы такие загрязнения не попадали в промежуточный слой.

Читайте также: Материал из бора, углерода и азота улучшил атомно тонкие транзисторы.

Метод использует атомно-слоевое осаждение — процесс, уже распространённый в полупроводниковой промышленности. Это облегчает дальнейшую проверку технологии, однако промышленная готовность пока не установлена. Следующий этап — выяснить, насколько надёжно подход можно воспроизводить при изготовлении практических устройств.