В Корее смогли сделать полупроводник со сверхнизким энергопотреблением без наслоения, просто заменив в нем атомы
Корреспондент Гу Бон Хёк
- Исследователи из IBS и POSTECH разработали технологию селективной замены атомных слоев толщиной 0,7 нанометра
- Реализация транзистора без отдельного процесса наслаивания; статья опубликована в международном научном журнале «Science»
Чо Хён Чжэ (слева), студент-исследователь группы по изучению квантовых материалов Ван-дер-Вальса при IBS (аспирант факультета инженерии новых материалов POSTECH); Чо Мун Хо, руководитель группы; и Мин Сок Ён, постдокторант [Фото предоставлено Институтом фундаментальных наук Южной Кореи]
Южнокорейские учёные разработали технологию, позволяющую выборочно заменять атомы полупроводников, и таким образом создавать на одной тонкой пленке полупроводник, изолирующий слой и слой для соединения электродов. По оценкам экспертов, это открывает новый путь к производству сверхминиатюрных и сверхэнергоэффективных полупроводников без сложных процессов наслоения материалов.
Министерство науки и ИКТ и Институт фундаментальных наук Южной Кореи (IBS) сообщили 16 октября, что исследовательская группа во главе с Чо Мун Хо, руководителя исследовательской группы IBS по квантовым материалам Ван-дер-Вальса (профессор POSTECH), разработала «технологию изготовления модульных транзисторов», позволяющую путем избирательной замены атомов в двумерных полупроводниках реализовывать различные электрические характеристики в нужных местах и слоях.
Результаты этого исследования опубликованы в недавнем выпуске ведущего международного научного журнала «Science» от 16 октября.
С распространением технологий искусственного интеллекта (ИИ) всё большее значение приобретают технологии, позволяющие повысить степень интеграции полупроводников при одновременном снижении энергопотребления. Двумерные полупроводники, толщина которых составляет всего несколько слоёв атомов, привлекают внимание как материалы нового поколения, способные преодолеть пределы миниатюризации у существующих кремниевых полупроводников.
Однако у двумерных полупроводников существует проблема: к их поверхности плохо прилипают другие вещества, что затрудняет равномерное формирование изолирующей пленки, а при непосредственном присоединении металлических электродов увеличивается контактное сопротивление.
Исследовательская группа нашла прорывный подход, сменив традиционный метод наслоения различных материалов методом замены атомов полупроводника.
Материалом, использованным исследователями, является диселенид вольфрама (WSe₂). Он имеет структуру, в которой слой атомов вольфрама окружен сверху и снизу слоями атомов селена; при замене атомов селена на другие атомы электрические свойства материала изменяются.
Исследователи заменили атомы селена на кислород, серу и теллур, получив, соответственно, изолятор — оксид вольфрама (WOₓ), полупроводник n-типа — дисульфид вольфрама (WS₂) и полуметалл с высокой электропроводностью — дителлурид вольфрама (WTe₂).
Регулируя температуру реакции и давление газа, исследователям удалось преобразовать материал с точностью до атомного слоя толщиной около 0,7 нанометра (нм, 1/1000 000 000 м). Благодаря этому удалось создать транзистор, в котором в одной тонкой пленке объединены полупроводник, изолирующая пленка и соединительный слой электрода.
Благодаря применению полуметаллического соединительного слоя энергетический барьер, который должен преодолевать заряд при перемещении, снизился до 35,5 миллиэлектронвольт (мэВ). Это примерно в три раза меньше, чем в случае прямого подключения металлических электродов.
Соотношение между состояниями «включен» и «выключен» также превысило 10 миллионов раз. Это означает, что ток можно регулировать с высокой точностью даже при небольших изменениях напряжения.
Схема создания модульного двумерного транзистора с использованием селективного замещения на уровне атомных слоев [Предоставлено Институтом фундаментальных наук Южной Кореи]
Толщина эквивалентной оксидной пленки (EOT) изолирующего слоя также составила менее 1 нм, что соответствует целевым показателям производительности сверхминиатюрных устройств, заданным в международной дорожной карте по полупроводникам.
Наибольшее значение данного исследования заключается в том, что вместо изготовления и наслоения отдельных основных материалов, составляющих транзистор, устройство было реализовано путем простого замещения атомов в одной тонкой пленке. Таким образом предложен новый подход, позволяющий снизить сложность технологического процесса производства полупроводников и одновременно повысить производительность устройств.
Рис. S1. Обратимые послойные замены халькогенов.
(A) Схематическое изображение процессов роста, окисления и преобразования с заменой халькогенов. Исходя из эпитаксиально выращенного 3L WSe₂, самый верхний слой WSe₂ подвергается избирательному окислению с образованием гетероструктуры 1L WOx/2L WSe₂. Затем окисленный слой WOx может быть преобразован в 1L WS₂/2L WSe₂ путём сульфидирования, повторно окислен обратно до 1L WOx/2L WSe₂ и впоследствии преобразован в 1L WTe₂/2L WSe₂ путём теллурирования. Эта циклическая последовательность демонстрирует, что верхний слой может многократно преобразовываться между оксидной, сульфидной и теллуридной фазами с сохранением нижележащих слоёв WSe₂. (B) Рамановские спектры, зарегистрированные на каждой стадии преобразования. Исчезновение и повторное появление характерных колебательных пиков WSe₂, WS₂, WTe₂ отражают последовательное химическое преобразование верхнего слоя. (C) Типичные изображения того же чешуйчатого кристалла, полученные с помощью оптического микроскопа на разных этапах преобразования, демонстрирующие отчетливые оптические контрасты для фаз 3L WSe₂, 1L WOx/2L WSe₂, 1L WS₂/2L WSe₂ и 1L WTe₂/2L WSe₂.
Рис. S2. Анализ с помощью растрового электронного микроскопа (СЭМ) с интервальной съемкой процесса внутрислойного окисления во время послойного преобразования 3L WSe2.
(A), (B) и (C) Изображения СЭМ с временной разверткой, показывающие окисление первого (A), второго (B) и третьего (C) слоев 3L WSe2. Указаны условия изотермического окисления и время полного окисления каждого слоя: 100 °C (110 мин) для 1-го слоя, 150 °C (100 мин) для 2-го слоя и 200 °C (150 мин) для 3-го слоя. Заметная разница в контрасте между изолирующим аморфным WOx (темный) и проводящим кристаллическим WSe₂ (светлый) позволяет точно отслеживать поперечное распространение окисленной области во времени. (D) Схематическое изображение послойного окисления в многослойном WSe2. Окисление протекает в поперечном направлении внутри выбранного слоя, прежде чем перейти к нижележащему слою, а требуемая температура окисления увеличивается с глубиной: T3 > T2 > T1, что указывает на то, что зазор ван-дер-Ваальса действует как кинетический барьер для межслойного окисления. (E) Схематическое изображение процесса зародышеобразования и роста внутри слоя.
Локальные зародыши WOx образуются внутри слоя WSe₂, расширяются в поперечном направлении и сливаются в сплошной аморфный слой WOx, прежде чем окисление переходит на следующий слой.
Рис. S3. Ориентационное окисление WSe₂ в плоскости.
(A) Изображение, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM), частично окисленного двухслойного WSe₂, полученного после окисления при 100 ˚C в течение 60 мин, где тёмные треугольные области соответствуют зародышам WOx. (B) Изображение HAADF-STEM с низким увеличением частично окисленного двухслойного WSe2. (C) Изображение HAADF-STEM с атомным разрешением границы раздела WOx / WSe2. (D) Схематическое изображение преимущественного распространения зародышей WOx в плоскости вдоль направления зигзага Se.
Рис. S4. Энергия активации межслойной диффузии кислорода. (A) Общее время окисления в зависимости от температуры окисления для первого (80–110 °C, чёрные символы), второго (120–150 °C, красные символы) и третьего (170–220 °C, синие символы) слоёв WSe2. Тепловой баланс, необходимый для полного окисления, увеличивается для каждого последующего слоя. (B) Диаграмма Аррениуса, показывающая зависимость коэффициентов диффузии (D) от обратной температуры (1/T). Коэффициент диффузии рассчитывался в параболическом режиме модели Дила-Гроува (𝑥𝑥02≅𝐵𝐵𝐵), поскольку межслойная диффузия была определена как стадия, ограничивающая скорость реакции. Рассчитанная энергия активации (Ea) увеличилась с 0,44 эВ (1-й слой) до 0,64 эВ (2-й слой) и 1,14 эВ (3-й слой), что свидетельствует о росте энергетического барьера для переноса кислорода через зазор ван-дер-Ваальса и оксидные слои.
Рис. S21. Схематическое изображение процесса изготовления транзистора на основе WSe2, полученного методом послойного преобразования.
(A) Эпитаксиальный послойный рост пятислойной (5L) пленки WSe₂ на подложке из вицинального сапфира. (B и C) Сухое снятие пятислойной пленки WSe₂ с сапфировой подложки и перенос на подложку Si₃N₄/Si толщиной 80 нм с использованием штампа PPC/TRT. (D) Окисление верхнего слоя WSe₂ в двух боковых областях с использованием маски из PMMA с рисунком. (E) Теллуризация областей с 1-слойным WOx с рисунком для формирования 1-слойных контактных областей WTe₂. (F) Осаждение истоковых и стоковых электродов из Pt/Au на преобразованные области WTe₂.
(G) Селективное окисление открытых слоев WSe₂ в центральной области для формирования диэлектрика затвора 3L WOx. (H) Перенос предварительно изготовленного верхнего затворного электрода Pt/Au на слой 3L WOx, завершающий формирование структуры устройства «исток-затвор-сток».
Рис. S33. Сравнение транзисторов WSe₂ с локальным затвором и с глобальным задним затвором.
(A) Схематическое изображение транзистора на основе WSe2, управляемого локальным верхним затвором с преобразованным затворным диэлектриком из WOx. (B) Оптическая микрофотография изготовленной матрицы транзисторов с локальным затвором. Чёрный прямоугольник обозначает область устройства, схематически изображённую на рис. (C). G, S и D обозначают, соответственно, затворный, истоковый и стоковый электроды. (C) Схема выбранного устройства в масштабе, построенная с учетом фактической длины затвора (𝐿𝐿𝐺𝐺 ≈ 200 нм) и длины канала «исток-сток» (𝐿𝐿𝐶𝐶 ≈ 1 мкм). Измеренное сопротивление в включенном состоянии представлено в виде последовательного соединения сопротивления канала с локальным затвором (𝑅𝑅𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 −𝑔𝑔 ), сопротивления доступа без затвора (𝑅𝑅 ) и контактного сопротивления (𝑅𝑅𝑐). Масштабная линейка — 500 нм. (D) Схематическое изображение транзистора на основе WSe2, управляемого глобальным задним затвором через затворный диэлектрик Si3N4. (E) Изображение устройства с глобальным задним затвором, полученное с помощью оптического микроскопа.
(F) Зависимость характеристик передачи транзистора WSe2 с глобальным задним затвором от температуры, измеренная в диапазоне от 110 до 293 К при VDS = 0,1 В. Масштабные линейки на рис. (B) и (E) — 10 мкм.
Рис. S34. Гистерезис полевого транзистора с затвором из диэлектрика WOx.
(A) и (I) Схемы устройств 1L MoS₂ и 1L WSe₂ FET с 3L WOx в качестве затворного диэлектрика. (B) Характеристики переноса (IDS-VTG) полевого транзистора на основе MoS₂, измеренные при VDS = 0,1 В. (C–H) Увеличенные подпороговые характеристики полевого транзистора на основе MoS₂, измеренные при 290, 190, 150, 75, 40 и 10 К соответственно, демонстрирующие постепенное улучшение подпорогового переключения при охлаждении. (J) Характеристики переноса (IDS-VTG) полевого транзистора на основе WSe₂ при VDS = 0,01 В. (K) и (L) Увеличенные графики подпороговых характеристик полевого транзистора на основе WSe₂, измеренные при 290 и 10 К соответственно
Рис. S42. Вертикальный инвертор vdW-CMOS, подтверждающий концепцию.
(A) Схематическое изображение комплементарного инвертора, состоящего из p-MOSFET на основе WSe₂ и n-MOSFET на основе MoS₂, интегрированных с преобразованными диэлектриками затвора на основе WOx. (B) Оптическое изображение вертикального инвертора с последовательностью слоев WSe₂/WOx/локальный затвор из Pt/WOx/MoS₂ снизу вверх. Входное напряжение подается на общий локальный затвор из Pt, а выходное напряжение измеряется на общем стоке p-типа транзистора WSe2 и n-типа транзистора MoS2. Масштабная линейка — 10 мкм. (C) Характеристики передачи p-MOSFET на основе WSe2 и n-MOSFET на основе MoS2, демонстрирующие комплементарную работу p- и n-типа в сопоставимом диапазоне напряжений на затворе. (D) Характеристика «напряжение-передача» вертикального CMOS-инвертора, измеренная при Vdd = 1 В. На врезке показан соответствующий коэффициент усиления по напряжению.
Однако для практического применения в промышленности необходимы дальнейшие исследования, направленные на обеспечение стабильных характеристик при производстве на больших площадях, таких как размеры пластин.
В будущем исследовательская группа планирует расширить применение технологии замены атомов и на другие материалы для двумерных полупроводников, а также приступить к разработке технологий производства на больших площадях и трехмерно-многослойных интегральных схем.
«Значение данного исследования заключается в том, что оно позволило применить методы фундаментальной материаловедения, связанные с манипулированием веществами на атомном уровне, к современным полупроводниковым технологиям, создав прорыв для качественного скачка в развитии полупроводниковых технологий будущего» - отметил директор IBS Чо Мун Хо, добавив: «эта технология может быть расширена не только для создания сверхнизкоэнергетических и сверхминиатюрных полупроводников, но и для разработки многослойных полупроводниковых устройств следующего поколения».
Комментарии