Сверхкомпактная высокопроизводительная электроника, выращенная непосредственно на 2D-полупроводниках

В последние годы инженеры-электронщики пытались найти полупроводниковые материалы, которые могли бы заменить кремний и обеспечить дальнейшее развитие электронных устройств. Двумерные (2D) полупроводники, такие как дисульфид молибдена (MoS₂), оказались одними из наиболее многообещающих решений, поскольку их тонкость и устойчивость к эффектам короткого канала могут позволить создать высокопроизводительную и компактную электронику.

Однако для создания транзисторов и других электронных компонентов на основе 2D-материалов инженерам необходимо уметь присоединять к ним электрические соединения и надежно формировать омические контакты, которые позволяют электрическому току свободно протекать через полученные устройства. Однако по мере того, как устройства становятся меньше, им также требуются меньшие по размеру контакты, которые, как оказалось, очень трудно прикрепить к 2D-полупроводникам.

Исследователи из Нанкинского университета и других институтов Китая недавно представили новую стратегию надежного выращивания сверхкоротких и низкоомных полуметаллических кристаллических контактов сурьмы непосредственно на MoS₂.

Их подход, изложенный в статье, опубликованной в Природная электроникапозволило им создать сверхмалые и высокопроизводительные транзисторы на основе 2D-полупроводникового материала.

«Масштабирование 2D-полупроводниковых транзисторов до 1-нанометрового узла и далее остается невозможным, несмотря на большую работу и большие ожидания со стороны научных кругов и промышленности», — сказал Tech Xplore Синьран Ван, старший автор статьи.

«Предыдущие работы по масштабированию устройств в основном были сосредоточены на масштабировании каналов, но именно контакт действительно ограничивает производительность устройства. Одной из основных проблем является большое контактное сопротивление R_с при предельной длине контакта. Р_с весы с контактной длиной L_с as , где длина переноса L_Т обозначает масштаб длины, при котором носители могут быть инжектированы из металла в полупроводник.

«Узел 1 нм требует, чтобы L_Т меньше 20 нм, что очень сложно для контактов Ван-дер-Ваальса, которые обычно находятся в двумерных полупроводниках».

Стратегия нанесения контактов сурьмы на MoS₂

Основная цель недавнего исследования Ванга и его коллег заключалась в разработке контактов, которые сохраняют сверхнизкое сопротивление, даже когда они значительно уменьшаются в размерах. Кроме того, они намеревались надежно прикрепить эти контакты к 2D-материалам, создав транзисторы, которые работают очень хорошо, достигая при этом целевых размеров в данной области (т. е. узел 1 нм с шагом контактного затвора менее 40 нм).

Исследователи установили свои контакты из кристаллическая полуметаллическая сурьма и вырастили их непосредственно на монослойной пленке MoS₂ методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). Это метод, используемый для выращивания ультратонких слоев кристаллов атом за атомом и с высокой точностью на желаемой подложке.

«Мы использовали MBE в сверхвысоком вакууме для нанесения омических контактов из кристаллической сурьмы», — объяснил Вэйшэн Ли, соавтор статьи.

«Процесс начинается с нагрева подложки при нанесении атомы сурьмы с точно контролируемой скоростью, давая атомам достаточно времени, чтобы перейти в состояние с самой низкой энергией. Это позволяет атомам сурьмы спонтанно располагаться в определенной кристаллической ориентации Sb(012), образуя интерфейс тесного контакта с MoS₂».

Стратегия, основанная на MBE, предложенная исследователями, имеет значительные преимущества перед другими широко используемыми методами осаждения тонких пленок, основанными на испарении. В частности, было обнаружено получение высококачественных, почти фазово-чистых кристаллов Sb(012) с размерами зерен, превышающими на два порядка.

«Благодаря такому высокому качеству контактное сопротивление практически не ухудшается вплоть до 18 нм, тогда как при электронно-лучевом испарении контакты Sb начинают ухудшаться при 60 нм», — сказал Ли. «Извлеченный L_Т ~13 нм, что, насколько нам известно, является единственной технологией двумерных полупроводниковых контактов, которая соответствует целевому размеру узла в 1 нм».

Информирование о разработке 2D-электроники на основе материалов

Недавние усилия Ванга, Ли и их коллег подчеркивают потенциал MBE для создания меньших по размеру высокопроизводительных транзисторов на основе 2D-полупроводников. Используя предложенную ими стратегию нанесения пленки, исследователи поняли, что может быть самым маленьким высокопроизводительным двухмерным транзистором на основе материалов, разработанным на сегодняшний день.

«Раньше люди считали, что 2D-транзисторы могут быть полезны, но не было экспериментальной демонстрации их производительности при такой длине устройств», — сказал Ван.

«Мы считаем, что эта работа ускорит переход от лаборатории к производству 2D-полупроводников. В 2025 году IMEC опубликовала дорожную карту устройства, и 2D-полупроводники станут конечным вариантом масштабирования транзисторов. Наша работа приближает это видение к реальности».

Результаты, достигнутые этими исследователями, могут открыть новые возможности для развития электронных устройств, обеспечивая их дальнейшую миниатюризацию и потенциальное повышение производительности. Другие исследовательские группы вскоре смогут черпать вдохновение из этой работы и разработать аналогичные стратегии для изготовления сверхмалых транзисторов на основе 2D-материалов.

«В области технологии 2D-транзисторов еще многое предстоит сделать», — добавил Ван. «Сейчас мы планируем сделать приоритетной оптимизацию надежности и технологичности этой контактной технологии для массового производства. Еще одной важной проблемой является контакт p-типа (с, например, WSe₂), который на данный момент отстает от аналога n-типа.

«Стратегии легирования и стек вентилей также необходимо разрабатывать с низкой плотностью интерфейсных ловушек. Совместная оптимизация дизайна и технологий (DTCO) будет очень важна для продвижения вперед».

© 2026 Сеть Science X