台湾の研究者たちは、新しい原子レベルの薄膜「プライマーコーティング」を開発し、二硫化モリブデン (MoS₂) に適用することで、その上に非常に薄いゲート絶縁体を置くことが可能になり、絶縁層に孔を残したり、下の電子の流れを乱したりすることがないようにしました。現代のトランジスタは基本的に電気制御されたスイッチであり、通常は半導体チャネル（この場合は原子レベルの薄膜の MoS₂）とその上にある金属「ゲート」で構成されています。ゲートと半導体の間には絶縁体があり、これをゲート絶縁体と呼びます。ゲートに電圧をかけると、絶縁体の中に電場が生成され、その電場が電子がソースからドレインに流れるかどうかを決定します。
ゲートが静電的にチャネルを制御するため、ゲートとチャネルの距離が近いほど、その影響力は強くなります。例えば、10センチの距離で一つの磁石が別の磁石を制御しようとすると、制御効果はあまり良くありませんが、1ミリの距離になると、より正確に操作できるようになります。
しかし、現代のトランジスタの間隔はすでに数原子の距離に近づいています。この課題に対して、研究の対応著者である中華科技大学の張文浩教授は、「絶縁体を薄くすることは挑戦の一部に過ぎません。私たちは下の原子レベルの薄い半導体を保護する必要があります。私たちのアプローチは、両方を同時に達成できる界面を設計し、絶縁層の均一な形成を促進し、電子の効果的な流れを維持するための緩衝層を提供することです。」と述べています。
研究者たちは新しいゲート絶縁体技術を成功裏に開発
MoS₂ は問題を複雑にします。なぜなら、その表面には多くの従来の半導体表面に存在する垂直化学結合が欠けているからです。そのため、従来の絶縁材料がその上に滑らかで連続した層を形成することは困難です。生成される界面欠陥は電流漏れを引き起こす可能性があり、同時に MoS₂ を通過する電子を散乱させ、キャリアの移動度を低下させます。この問題を解決するために、研究者たちは半導体と主要な絶縁層の間に非常に薄い緩衝層を挿入しました。彼らは最初に MoS₂ 上に約 0.3 ナノメートルのアルミニウムを堆積し、その後慎重に酸化させて、約 0.42 ナノメートルの厚さの連続した酸化アルミニウム層を生成しました。
この層は数原子の厚さしかありませんが、2つの重要な機能を果たします。まず、主要な絶縁体が均一に形成されるための適切な表面を提供し、漏れを引き起こす可能性のある微小な隙間を排除します。次に、MoS₂ チャネルをシールドするのを助け、上方の絶縁体からの電気的擾乱を回避し、電子が半導体をより自由に通過できるようにします。
研究者たちはこの技術を利用して MoS₂ トランジスタを製造し、装備されたゲート絶縁体は約 1 ナノメートルの二酸化ケイ素に相当する電気制御能力を提供し、同時に低い漏れと強力なキャリア輸送を維持しています。彼らは、この成果が二次元電子工学における難しいトレードオフを解決したと説明しています：非常に薄いゲート絶縁体、強力な静電制御、高い電子移動度を同時に生産することです。より広く言えば、これらの結果は、デバイスが原子レベルのサイズに近づくにつれて、トランジスタ開発において起こり得る変化を浮き彫りにしています。エンジニアは、単に新しい半導体材料を探すだけでなく、既存の材料間の界面を原子単位で操作する必要がますます高まるでしょう。
ただし、依然として重大な製造上の課題があります。実験プロセスには MoS₂ の転送、超高真空堆積、精密な酸化が含まれ、これらはすべてこの技術を商業半導体生産に導入するために簡素化および拡大する必要があります。張教授は、「トランジスタ素子が数層の原子の厚さしかない場合、界面はデバイスの重要な構成要素となり、単なる境界ではなくなります。原子レベルの界面制御をマスターすることで、エンジニアは新しい材料を探すだけでなく、材料の相乗効果を高めることによってトランジスタを強化できます。」と付け加えています。この研究は『Nature Electronics』誌で確認できます。