Перспективная электроника на дисульфиде молибдена
Развитие электроники многие годы идёт по пути уменьшения размеров логических элементов и увеличения плотности их размещения. В августе анонс процессоров Intel Broadwell, которые будут изготавливать по нормам 14 нм. Тайваньская компания TSMC освоить 10 нм техпроцесс уже в следующем году. Однако лидеры полупроводниковой отрасли всё чаще говорят о назревшей необходимости найти замену кремнию. Для микросхем будущего требуются принципиально иные материалы и технологии их обработки. О новых успехах в этом направлении исследователи из Ратгерского университета и Лос-Аламосской национальной лаборатории.
В перспективной электронике логические элементы предполагается делать толщиной в несколько нанометров, а то и вовсе в один атом. Такие транзисторы пробовали создавать на базе графена, однако графен — полуметалл. Из-за этого у экспериментальных транзисторов наблюдаются слишком большие токи утечки. Принцип управления ими тоже придётся разрабатывать иной, поскольку в графеновых транзисторах ток течёт независимо от напряжения на затворе. К тому же, все они были получены в лабораторных условиях, которые крайне сложно адаптировать для промышленного производства.
Как альтернативу графену многие годы рассматривали дисульфид молибдена. В прошлом году из него даже создать функционирующие образцы микроэлектроники. К сожалению, надёжность этих схем была низкой, параметры – противоречивыми, а сама микроструктура – неустойчивой. В новом исследовании удалось найти ключ к решению этих проблем.
Основная странность в свойствах дисульфида молибдена заключалась в том, что в разных экспериментах измеренные значения сопротивления и подвижности электронов различались в десятки и сотни раз. Иными словами, что-то в самой методике измерения сильно влияло на это значение, искажая результат. Авторы предположили, что проблема заключалась в большом сопротивлении переходов между образцами дисульфида молибдена и металлических контактов. Избавится от них нельзя, так как в эксперименте при помощи этих контактов считывались значения, а в реальной схеме они используются как выводы.
Обычно в электронике такие проблемы решаются подбором легирующих добавок, но на микроуровне данный метод не сработает. При толщине логического элемента в одну молекулу остаётся единственный способ – менять конфигурацию самой молекулы. Во время этих попыток удалось выяснить, что в твёрдом агрегатном состоянии при стандартных условиях дисульфид молибдена может существовать в одной из двух фаз. В них немного различаются углы между атомами и длины связей. Этого оказывается достаточно для того, чтобы в фазе 2H дисульфид молибдена обладал свойствами полупроводника, а в фазе 1T – проявлял свойства, более характерные для металлов. Отсюда и разница в измерении характеристик у разных исследовательских групп.
В ходе дальнейшей работы авторам удалось найти химический процесс, который позволяет управлять фазовым состоянием дисульфида молибдена на участке образца. Применяя синтез с использованием литийорганических соединений, они добились перехода фрагмента образца в фазу 1T в месте будущего контакта. По своей структуре контакт стал полностью металлическим, а его сопротивление упало с 10 кОм до 200 Ом.
Новый образец было крайне легко интегрировать в электрическую схему. Электроны достигали дисульфида молибдена по надёжным металлическим контактам и далее пересекали фазу 2H так, как в любом другом полупроводнике. Вдохновившись результатом, авторы исследования сделали двадцать пять тестовых схем. Разброс их параметров был крайне низким, а поведение – полностью предсказуемым.
Благодаря этой работе полевые транзисторы из дисульфида молибдена могут появиться в следующих микросхемах уже через пять-десять лет. Вещество вновь стало главным кандидатом на роль заместителя кремния в будущих микросхемах. Изменение его фазы в районе контактных площадок – известный процесс, который не составит особого труда повторить в промышленных условиях.
Осталось выяснить, при каких условиях возможно обратное изменение фазы. Если оно не происходит спонтанно в типичном для электроники диапазоне рабочих температур, то дело осталось лишь за инвестициями в новое производство.
