新しい方法により原子レベルで薄いトランジスタの性能が向上

Jan 30, 2024

ジョン・ティマー - 2023 年 3 月 21 日午後 3 時 55 分 UTC

グラフェンのような原子的に薄い材料は、すべての化学結合が配向され、結果として得られる分子がシートを形成する単一分子です。 これらは多くの場合、原子数個の厚さしかない信じられないほど小さな機能を備えたエレクトロニクスの製造を可能にする独特の電子特性を持っています。 そして、これらの二次元素材から機能的なハードウェアが構築された例が数多くあります。

しかし、これまでのほぼすべての例では特注の構造が使用されており、研究者が材料の個々の薄片を手作業で操作する場合もありました。 したがって、これらの材料から複雑なエレクトロニクスを大量生産できる段階にはまだ達していません。 しかし、今日発表された論文には、二次元材料に基づいてトランジスタをウェハスケールで製造する方法が記載されています。 そして、結果として得られるトランジスタは、より伝統的な製造アプローチで作られたものよりも安定して動作します。

原子的に薄い材料に基づくエレクトロニクスの製造を容易にするために行われた取り組みのほとんどは、これらの材料を従来の半導体製造技術に統合することに関係していました。 これらの技術を使用すると、材料を大量に信じられないほど微細に操作できるため、これは当然のことです。 通常、これは、電子機器に必要な金属配線の多くが従来の製造によって配置されることを意味します。 次に、2D 材料が金属の上に積層され、機能的なトランジスタを形成するために追加の処理が行われます。

多くの場合、その「追加処理」には、2D マテリアルの上に金属を重ねることが含まれます。 この研究の背後にある研究者らは、この方法はおそらく最善の方法ではないと主張しています。 金属を堆積すると 2D 材料が損傷する可能性があり、一部の個々の金属原子が 2D 材料内に拡散して、より大きなフィーチャ内に小さな短絡が生じる可能性があります。 これらすべてにより、この技術を使用して構築された回路の性能が低下します。

そこでチームは、回路の個々の部分をすべて個別に形成し、穏やかな条件下でそれらを統合する方法を考え出しました。 最も単純な部分はトランジスタのゲートを形成することで、固体基板上にパターンを形成し、酸化アルミニウムでコーティングするだけでした。

これとは別に、研究チームは化学気相成長法によって二酸化シリコンの表面上に原子的に薄い材料（二硫化モリブデン）の均一なシートを形成した。 次に、そのシートをリフトオフして酸化アルミニウムの上に移し、ゲートの上に原子的に薄い半導体層を形成しました。 トランジスタを形成するために、研究者らはソース電極とドレイン電極を欠いていました。

これらはすべての配線を固体表面上に形成することにより、完全に別々に作成されました。 次に、配線をポリマーに埋め込み、全体を表面から剥がして、下面にワイヤーが埋め込まれたポリマーのシートを作成しました。 このポリマーはそれ自体では十分に柔軟性があるため、伸びたり歪んだりする可能性があり、そのため、機能回路の形成に必要な配線がゲートと整列しません。 これらの歪みを制限するために、研究者らは、ゲート電極で覆われたウェハー上にポリマーをスタンプする前に、ポリマーを石英のシートにリンクさせた。 これにより、二硫化モリブデンの上に配線が直接堆積され、機能するトランジスタの形成が完了しました。

すべてが所定の位置に配置されたら、穏やかな条件下でポリマーを除去し、プラズマ エッチングを使用して余分な材料を除去します。 その結果、ソース電極とドレイン電極への半導体の接続が、物理的に隣り合った材料によって単純に形成されたトランジスタの集合が誕生しました。 これにより、原子的に薄い半導体材料が損傷する可能性が制限されます。

ここで必要なプロセスはすべて、一般的な半導体製造よりもはるかに穏やかですが、その製造では、最終的に必要な場所にすべてのフィーチャを形成することで問題が簡素化されます。 このアプローチを機能させるには、ソース電極とドレイン電極をゲートとは別に作成し、後で所定の位置にドロップする必要があります。 小さな機能を備えた回路の場合、非常に正確な位置合わせが必要です。