Современные технологии, при помощи которых производятся полевые транзисторы (Field-Electronic Transistor, FET), имеющие объемную структуру, практически подошли к пределу своей эффективности. Смена технологии идёт по сразу нескольким направлениям, ведущая пока не определена. Новые «двухмерные» полевые транзисторы, созданные исследователями из института Фундаментальных наук (Institute for Basic Science, IBS) представляют один из таких трендов. Особенность этой разработки — все элементы структуры нового транзистора, обладающие как металлическими, так и полупроводниковыми свойствами, изготовлены из одного материала.
Проще говоря, полевые транзисторы (FET) можно рассматривать как высокоскоростные переключатели, состоящие из двух металлических электродов и полупроводниковым каналом между ними. Электроды полевого транзистора имеют следующие названия: исток (англ. source) — электрод, из которого в канал входят основные носители заряда; сток (англ. drain) — электрод, через который из канала уходят основные носители заряда; затвор (англ. gate) — электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала. Электроны (или отверстия) перемещаются от электрода источника к стоковому электроду, протекающему по каналу. Когда трехмерные полевые транзисторы были уменьшены до наноразмерных размеров, начали проявляться их физические ограничения. Короткие длины полупроводниковых каналов приводят к снижению производительности — некоторые электроны могут течь между электродами, даже если они не должны, что приводит к снижению эффективности. Чтобы преодолеть это ухудшение производительности, транзисторные каналы должны быть выполнены с использованием тонких материалов нанометрового размера. Однако даже тонкие трехмерные материалы недостаточно хороши, так как неспаренные электроны, часть так называемых «оборванных связей» на поверхности препятствуют протекающим электронам, приводя к рассеянию.
Решением проблемы дальнейшего увеличения эффективности и быстродействия транзисторов может стать замена объемных транзисторов их двухмерными аналогами. «Полевые транзисторы, изготовленные из двухмерных полупроводниковых материалов, лишены некоторых отрицательных короткоканальных эффектов, проявляющихся в обычных транзисторах при попытках сокращения их размеров» – объясняет один из разработчиков Чжи Хо Сунг (Ji Ho Sung). Кроме того, однослойная и многослойная форма слоистых двухмерных материалов имеет широкий спектр электрических и настраиваемых оптических свойств, толщины атомного масштаба, механической гибкости и ширину электронной запрещенных зон (1 ~ 2 эВ).
Основной проблемой для двухмерных транзисторов FET является наличие большого контактного сопротивления на границе раздела двухмерного полупроводника и любого объемного металла. Для решения этой задачи команда разработала новый метод получения двухмерных металлических транзисторов с полупроводниковым покрытием из теллурида молибдена (MoTe2). Это полиморфный материал, что означает, что он может использоваться как металл, так и полупроводник. Показано, что электрическое сопротивление контакта на границе раздела между полупроводником и металлическим MoTe2 очень низкое. Высота барьера снижалась в 7 раз, от 150 мэВ до 22 мэВ. Ученые IBS использовали метод химического осаждения из паровой фазы (CVD — chemical vapor deposition) для создания высококачественных металлических или полупроводниковых зон кристаллов MoTe2. Полиморфизм в процессе осаждения контролируется температурой внутри печи с горячей стенкой кварцевой трубки, заполненной парами NaCl при 710 ° С для получения металлической зоны и 670 ° С для полупроводниковой.
Ученые также изготовили крупномасштабные структуры, используя полосы дисселенида вольфрама (WSe2), чередующиеся с дителлуридом вольфрама (WTe2). Сначала они создали тонкий слой полупроводникового WSe2 с химическим осаждением из паровой фазы, затем очистили некоторые полосы и нарастили на этих местах металлический WTe2.
Предполагается, что в будущем можно было бы реализовать еще меньшее контактное сопротивление, достигая теоретического квантового предела, что рассматривается как серьезная проблема при изучении двумерных материалов, в том числе графена и переходных дихалькогенидов.
