Ein nur ein Atom dicker Transistorkanal klingt wie die ideale Grundlage für die nächste Generation von Computerchips. Doch die Materialien, die zu seiner Steuerung nötig sind, haben dessen Vorteile bisher meist zunichtegemacht. Forscher der National Yang Ming Chiao Tung University (NYCU) und von TSMC Corporate Research sagen nun, einen Weg um diese Hürde gefunden zu haben – indem sie die unsichtbare Grenze zwischen Materialien neu gestalteten.

In Nature Electronics vom 31. Juli beschreibt das Team Monolagen-Transistoren aus Molybdändisulfid (MoS2), deren Leistung dramatisch stieg, nachdem eine nur 0,42 Nanometer dicke Pufferschicht – wenige Atome – zwischen Halbleiterkanal und Gate-Dielektrikum eingefügt wurde.

Zweidimensionale Halbleiter wie MoS2 (eine einzelne Schicht ist etwa 0,7 nm dick) gelten seit langem als Kandidaten, um die Chip-Skalierung über Silizium hinaus zu verlängern. Doch das direkte Aufbringen eines Isolators auf die atomar flache Oberfläche stört genau jene Elektronen, die das Gate kontrollieren soll – ein klassischer Zielkonflikt zwischen dünner, starker Gate-Kontrolle und effizientem Elektronentransport.

Das NYCU–TSMC-Team umging den Konflikt, indem es eine epitaktische Aluminiumschicht auf CVD-gewachsenem MoS2 (CVD = chemische Gasphasenabscheidung) erzeugte und diese zu einem ultradünnen Aluminiumoxid-Puffer oxidierte. Dieses glatte Fundament erlaubte es, ein Dielektrikum aus Hafniumoxid mit hoher Dielektrizitätskonstante darauf wachsen zu lassen und schützte zugleich den Kanal vor schädlichen Wechselwirkungen. Bauelemente mit etwa 100 Nanometer langen Kanälen erreichten eine maximale Transkonduktanz von 0,45 mS/μm bei einem auf etwa ein Nanometer skalierten Dielektrikum sowie geringe Leckströme und minimale Hysterese.

Da die Transistoren aus CVD-Material statt aus im Labor abgeblätterten Kristallflocken gebaut wurden, liegt die Arbeit näher an den Wafer-Prozessen, die echte Chipfabriken benötigen; gleichmäßiges MoS2-Wachstum wurde bereits auf 12-Zoll-Wafern demonstriert. Die Autoren betonen, dass es sich noch nicht um eine Fertigungslösung handelt: Reproduzierbarkeit, Haltbarkeit und Prozesskompatibilität müssten weiter verbessert werden.

„Jahrelang konzentrierten sich die Bemühungen zur Verbesserung atomar dünner Transistoren weitgehend darauf, bessere Halbleitermaterialien zu entdecken“, sagte Wen-Hao Chang, korrespondierender Autor der Studie von der NYCU. „Unsere Forschung zeigt, dass die atomare Grenzfläche zwischen Materialien genauso wichtig sein kann.“ Mitkorrespondenzautor Tsung-En Lee ergänzte: „Wenn Transistorkomponenten nur noch wenige Atomlagen dick sind, ist die Grenzfläche nicht länger bloß die Grenze zwischen Materialien – sie wird zu einem aktiven Teil des Bauelements.“

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