Ученые научились выращивать транзисторы атомарной толщины из графена и молибденита

Транзисторы и электронные схемы атомарной толщины из графена и дисульфида молибдена (молибденита, MoS2) теперь могут быть собраны химическим путем, что подразумевает возможность их крупномасштабного производства. Для сравнения, все предыдущие подобные технологии изготовления электронных компонентов вовлекали необходимость точного размещения предварительно отформованных компонентов из двухмерных материалов на поверхности чипа.

Это, с учетом микроскопического масштаба действий, представляет собой весьма сложную и дорогостоящую технологическую операцию, которая выступает в качестве «тормоза» развития данного направления электроники.

Ученые считают, что использование электронных приборов, изготовленных из материалов одноатомной толщины, позволит закону Гордона Мура продержаться еще достаточно длительное время, чего уже невозможно будет добиться при использовании компонентов чипов из традиционного кремния. «Основным «двигателем», обеспечившим развитие области нанотехнологий, стали поиски материалов, которые способны заменить кремний и обеспечить дальнейшее соблюдение закона Гордона Мура» — рассказывает Сян Занг (Xiang Zhang), ученый-материаловед из Калифорнийского университета в Беркли.Основными кандидатами на роль «электронных» материалов следующего поколения являются графен и дисульфид молибдена (молибденит). Графен является превосходным электрическим проводником, который идеально подходит для создания электрических соединений и электродов. Однако у графена отсутствует такая характеристика, как ширина запрещенной зоны, которая является необходимой для полупроводниковых материалов, используемых в структуре транзисторов. Молибденит, наоборот, обладает не очень высокой удельной электрической проводимостью, но у него, зато, имеется запрещенная зона достаточной потенциальной ширины.

Производство электроники из материалов одноатомной толщины оказалось на практике делом весьма высокой сложности. И, как упоминалось выше, это связано с необходимостью проведения точнейшей сборки устройств из одноатомных материалов, отформованных с не меньшей точностью. А теперь ученым удалось разработать технологию, в которой транзисторы и проводники буквальной «ткутся» на месте из графена и полупроводникового молибденита при помощи специальных химических процессов.

Первым этапом нового процесса является осаждение графена на поверхности кварцевого основании. Затем, при помощи технологии плазменного травления в графене и основании формируются каналы будущих транзисторов. Завершает все это процесс осаждения из парообразной фазы, при помощи которого вокруг краев каждого канала формируется пленка из молибденита, которая наращивается до тех пор, пока не затягивает весь канал целиком. Полосы молибденита и графена при таком процессе накладываются друг на друга, и толщина полосы наложения составляет 100-200 нанометров, чего достаточно для обеспечения надежного электрического контакта.Созданные таким образом транзисторы обладают очень высокой подвижностью электронов в их структуре, показатель подвижности электронов во много раз превышает аналогичный показатель у транзисторов, собранных механическим путем. Помимо транзисторов, ученым удалось создать новым способом простейший логический элемент, инвертор (NOT). Такой «цельнособранный» логический элемент продемонстрировал на 70 процентов большую эффективность при работе, нежели чем такой же элемент, созданный из отдельных транзисторов.

В созданных учеными электронных компонентах и схемах полупроводниковые молибденитовые каналы имеют ширину около 2 микрометров. «Но если рассматривать эту технологию в качестве замены кремниевым технологиям, мы будем нуждаться в чрезвычайно тонких каналах» — рассказывает Сян Занг, — «Остается весьма сомнительным, что молибденитовые каналы сохранят принципы своего функционирования при кардинальном уменьшении их размеров. Ведь в их работу начнут вмешиваться нежелательные для нас квантовые эффекты. Но это все будет темой для наших дальнейших исследований».