Однако такие материалы не используются в вакууме; они должны быть объединены с подходящими изоляторами – чтобы изолировать их от нежелательных воздействий окружающей среды, а также для контроля протекания тока посредством так называемого эффекта поля. До сих пор для этой цели часто использовался гексагональный нитрид бора (hBN), поскольку он является отличной средой для 2D-материалов. Однако исследования, проведенные TU Wien в сотрудничестве с ETH Zurich, Российским институтом Иоффе и исследователями из Саудовской Аравии и Японии, теперь показывают, что, вопреки предыдущим предположениям, тонкие слои hBN не подходят в качестве изоляторов для будущих миниатюрных полевых транзисторов. , поскольку возникают непомерные токи утечки. Итак, если 2D-материалы действительно произведут революцию в полупроводниковой промышленности, нужно начать искать другие изоляционные материалы.
Исследование опубликовано в научном журнале Nature Electronics."
Предположительно идеальный изоляционный материал
«На первый взгляд, гексагональный нитрид бора подходит для графена и двумерных материалов лучше, чем любой другой изолятор», – говорит Терезия Кноблох, первый автор исследования, которая в настоящее время работает над своей диссертацией в команде Тибора Грассера в Институте микроэлектроники ТУ. Вена. «Так же, как 2D полупроводниковые материалы, hBN состоит из отдельных атомных слоев, которые только слабо связаны друг с другом."
В результате hBN можно легко использовать для создания атомно-гладких поверхностей, которые не мешают переносу электронов через 2D-материалы. «Поэтому вы можете подумать, что hBN – идеальный материал – как в качестве подложки для размещения тонкопленочных полупроводников, так и в качестве изолятора затвора, необходимого для создания полевых транзисторов», – говорит Тибор Грассер.
Небольшие токи утечки с большими эффектами
Транзистор можно сравнить с водопроводным краном – только вместо струи воды включается и выключается электрический ток.
Как и в случае с водопроводным краном, для транзистора очень важно, чтобы ничего не протекало из самого клапана.
Именно за это отвечает изолятор затвора в транзисторе: он изолирует управляющий электрод, через который включается и выключается ток, от самого полупроводникового канала, через который затем течет ток. Современный микропроцессор содержит около 50 миллиардов транзисторов – поэтому даже небольшая потеря тока на затворах может сыграть огромную роль, поскольку значительно увеличивает общее потребление энергии.
В этом исследовании группа исследователей исследовала токи утечки, протекающие через тонкие слои hBN, как экспериментально, так и с использованием теоретических расчетов.
Они обнаружили, что некоторые из свойств, которые делают hBN таким подходящим субстратом, также значительно увеличивают токи утечки через hBN. Нитрид бора имеет небольшую диэлектрическую проницаемость, что означает, что материал слабо взаимодействует с электрическими полями. Следовательно, слои hBN, используемые в миниатюрных транзисторах, должны быть толщиной всего в несколько атомных слоев, чтобы электрическое поле затвора могло в достаточной степени управлять каналом. Однако в то же время токи утечки в этом случае становятся слишком большими, так как они экспоненциально возрастают при уменьшении толщины слоя.
Поиск изоляторов
«Наши результаты показывают, что hBN не подходит в качестве изолятора затвора для миниатюрных транзисторов на основе 2D-материалов», – говорит Тибор Грассер. «Это открытие является важным ориентиром для будущих исследований, но это только начало поиска подходящих изоляторов для самых маленьких транзисторов. В настоящее время ни одна из известных систем материалов не может удовлетворить всем требованиям, но поиск подходящей системы материалов является лишь вопросом времени и ресурсов."
«Проблема сложна, но тем более важно, чтобы многие ученые посвятили себя поиску решения, потому что нашему обществу в будущем потребуются небольшие, быстрые и, прежде всего, энергоэффективные компьютерные микросхемы», – Терезия Кноблох убежден.