Yalnızca bir atom kalınlığındaki transistör kanalı, yeni nesil bilgisayar çipleri için ideal bir temel gibi görünüyor. Ancak onu kontrol etmek için gereken malzemeler, bu avantajları ortadan kaldırma eğiliminde. Şimdi National Yang Ming Chiao Tung Üniversitesi (NYCU) ve TSMC Corporate Research'ten araştırmacılar, malzemeler arasındaki görünmez sınırı yeniden tasarlayarak bu duvarı aşmanın bir yolunu bulduklarını söylüyor.

31 Temmuz'da Nature Electronics'te yayımlanan çalışmada ekip, yarı iletken kanal ile kapı dielektriği arasına yalnızca 0,42 nanometre — birkaç atom — kalınlığında bir tampon katman eklenen tek katmanlı molibden disülfür (MoS2) transistörlerin performansının çarpıcı biçimde arttığını anlatıyor.

MoS2 gibi iki boyutlu yarı iletkenler (tek katmanı yaklaşık 0,7 nm kalınlığındadır) uzun süredir çip ölçeklemeyi silikonun ötesine taşıyabilecek adaylar olarak görülüyor. Ancak yalıtkanı doğrudan atomik düz yüzeye yerleştirmek, kapının kontrol etmesi gereken elektronları bozuyor ve ince, güçlü kapı kontrolü ile verimli elektron taşınımı arasında bir ödünleşim dayatıyor.

NYCU–TSMC ekibi, kimyasal buhar biriktirme (CVD) ile büyütülen MoS2 üzerinde epitaksiyel alüminyum tabakası yetiştirip bunu ultra ince bir alüminyum oksit tamponuna oksitleyerek bu ödünleşimi aştı. Bu pürüzsüz temel, yüksek-κ hafniyum oksit dielektriğinin üzerinde büyümesine izin verirken kanalı zararlı etkileşimlerden korudu. Yaklaşık 100 nanometre kanallı aygıtlar, yaklaşık bir nanometre eşdeğer oksit kalınlığına ölçeklenen dielektrik ile 0,45 mS/μm maksimum iletkenliğe ulaştı; düşük kaçak akım ve minimal histerezis de kaydedildi.

Transistörler laboratuvarda kristalden koparılan pullar yerine CVD ile büyütülen malzemeden üretildiği için çalışma, gerçek çip fabrikalarının ihtiyaç duyacağı gofret ölçeğindeki süreçlere daha yakın; 12 inçlik gofretlerde tekdüze MoS2 büyümesi daha önce gösterilmişti. Yazarlar bunun henüz bir üretim çözümü olmadığını vurguluyor: Tekrarlanabilirlik, dayanıklılık ve süreç uyumluluğu hâlâ çalışma gerektiriyor.

NYCU'dan çalışmanın sorumlu yazarı Wen-Hao Chang: "Yıllardır atomik incelikteki transistörleri iyileştirme çabaları büyük ölçüde daha iyi yarı iletken malzemeler keşfetmeye odaklandı. Araştırmamız, malzemeler arasındaki atomik arayüzün de en az o kadar önemli olabileceğini gösteriyor." Eş sorumlu yazar Tsung-En Lee ise şunları ekledi: "Transistör bileşenleri yalnızca birkaç atom katmanı kalınlığına indiğinde arayüz artık yalnızca malzemeler arasındaki sınır değildir; aygıtın aktif bir parçası hâline gelir."

Kaynaklar