นักวิจัยไต้หวันพัฒนาฟิล์มขนาดอะตอมเพื่อป้องกันการรั่วไหลของทรานซิสเตอร์รุ่นต่อไป

นักวิจัยไต้หวันได้พัฒนาชั้นฟิล์มบางเพียงระดับอะตอมชนิดใหม่ที่เรียกว่า "สารเคลือบพื้นฐาน" ซึ่งสามารถนำไปใช้กับไดซัลไฟด์โมลิบดีนัม (MoS₂) ได้ ทำให้การวางชั้นฉนวนประตูที่เล็กมากได้อย่างเป็นไปได้ โดยไม่ทิ้งรูหรือรบกวนการไหลของอิเล็กตรอนใต้ชั้นนั้น ทรานซิสเตอร์สมัยใหม่เป็นประเภทของสวิตช์ที่ควบคุมด้วยไฟฟ้า ทั่วไปแล้วประกอบด้วยช่องสายทางกึ่งตัวนำ (ในกรณีนี้คือชั้น MoS₂ บางเพียงระดับอะตอม) และ "ประตู" ที่อยู่เหนือช่องสายทางกึ่งตัวนำ ระหว่างประตูกับกึ่งตัวนำ มีฉนวนทางไฟฟ้าที่เรียกว่าฉนวนประตู การใช้แรงดันไฟฟ้ากับประตูจะสร้างสนามไฟฟ้าในฉนวน ซึ่งสนามไฟฟ้านี้จะกำหนดว่าอิเล็กตรอนสามารถไหลจากแหล่งไปยังทางระบายได้หรือไม่

เนื่องจากประตูควบคุมช่องสายทางกึ่งตัวนำด้วยความสามารถในการควบคุมทางสถาติสถิตย์ ดังนั้น ระยะห่างระหว่างประตูกับช่องสายทางกึ่งตัวนำยิ่งน้อย ความสามารถในการควบคุมยิ่งมีผลมากขึ้น ยกตัวอย่างเช่น นึกภาพว่าการควบคุมแม่เหล็กอื่นด้วยแม่เหล็ก หากระยะห่าง 10 เซนติเมตร การควบคุมจะไม่มีผล แต่หากระยะห่างเพียง 1 มิลลิเมตร การควบคุมจะสามารถควบคุมได้อย่างแม่นยำมากขึ้น

อย่างไรก็ตาม ระยะห่างของทรานซิสเตอร์สมัยใหม่ได้เข้าใกล้เพียงไม่กี่อะตอม ตอบสนองต่อความท้าทายนี้ ผู้เขียนบทความตอบสนอง ศาสตราจารย์จางเหวินหัว จากมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีจีน กล่าวว่า: "การทำให้ฉนวนบางลงเป็นเพียงส่วนหนึ่งของความท้าทาย เรายังต้องป้องกันกึ่งตัวนำระดับอะตอมด้านล่าง แนวทางของเราคือการออกแบบอินเตอร์เฟซที่สามารถทำให้ทั้งสองอย่างเป็นไปได้ ส่งเสริมการสร้างฉนวนให้เป็นระเบียบ และให้ชั้นบัฟเฟอร์เพื่อรักษาการไหลของอิเล็กตรอนให้มีประสิทธิภาพ"

การแก้ปัญหาการรั่วไหลของทรานซิสเตอร์

MoS₂ ทำให้ปัญหาในการทำให้ฉนวนบางลงยากขึ้น เนื่องจากพื้นผิวของมันขาดสารพันธะเคมีแขวนที่พบในพื้นผิวของกึ่งตัวนำดั้งเดิมหลายประเภท ดังนั้น การสร้างชั้นที่เรียบและต่อเนื่องของวัสดุฉนวนดั้งเดิมบนพื้นผิวนั้นจะเจอความยากลำบาก การเกิดความเสียหายของอินเตอร์เฟซอาจทำให้กระแสไฟฟ้ารั่วไหล ในขณะเดียวกัน ก็จะกระจายอิเล็กตรอนที่ผ่าน MoS₂ ลดความเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนพานธรรมชาติ เพื่อแก้ปัญหานี้ นักวิจัยได้แทรกชั้นบัฟเฟอร์ที่เล็กมากระหว่างกึ่งตัวนำกับฉนวนหลัก โดยพวกเขาเริ่มต้นด้วยการทำให้โลหะอลูมิเนียมบางลงประมาณ 0.3 นาโนเมตร จากนั้นทำให้ออกซิไดซ์อย่างระมัดระวัง เพื่อสร้างชั้นออกซิดอลูมิเนียมที่ต่อเนื่อง ประมาณ 0.42 นาโนเมตร

ถึงแม้ว่าชั้นนี้จะเพียงไม่กี่อะตอม แต่มันทำหน้าที่สองอย่างสำคัญ: ก่อนอื่น ให้พื้นผิวที่เหมาะสม เพื่อให้ฉนวนหลักสามารถสร้างต่อเนื่องได้ โดยกำจัดรูเล็กๆ ที่อาจทำให้รั่วไหล; ที่สอง ช่วยป้องกันช่องทาง MoS₂ ไม่ให้ถูกรบกวนจากฉนวนด้านบน ทำให้อิเล็กตรอนสามารถผ่านกึ่งตัวนำได้อย่างมีอิสระมากขึ้น

ผลกระทบทางเทคนิคที่เป็นไปได้

นักวิจัยได้ใช้เทคโนโลยีนี้ในการผลิตทรานซิสเตอร์ MoS₂ ที่มีฉนวนประตูที่ให้ความสามารถในการควบคุมไฟฟ้าที่เทียบเท่ากับประมาณ 1 นาโนเมตรของสารไดออกไซด์ซิลิกอน ในขณะที่รักษาการรั่วไหลต่ำและการถ่ายโอนพานธรรมชาติที่แข็งแรง พวกเขาอธิบายว่า ความสำเร็จนี้แก้ปัญหาการประนีประนอมในสามด้านในอิเล็กโทรนิกส์สองมิติ: การผลิตฉนวนประตูที่เล็กมาก การควบคุมทางสถาติสถิตย์ที่แข็งแรง และการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่สูง กล่าวอีกนัยหนึ่ง ผลลัพธ์เหล่านี้เน้นถึงการเปลี่ยนแปลงที่อาจเกิดขึ้นในการพัฒนาทรานซิสเตอร์เมื่ออุปกรณ์ใกล้เคียงกับขนาดระดับอะตอม วิศวกรอาจต้องมากขึ้นในการควบคุมอินเตอร์เฟซระหว่างวัสดุที่มีอยู่ ไม่ใช่เพียงแต่การค้นหาวัสดุกึ่งตัวนำใหม่

อย่างไรก็ตาม ยังมีความท้าทายในการผลิตที่สำคัญ ในกระบวนการทดลอง เกี่ยวข้องกับการถ่ายย้าย MoS₂ การทำให้ออกซิไดซ์ในสุญญากาศสูงมาก และการควบคุมออกซิไดซ์อย่างแม่นยำ ซึ่งต้องทำให้ง่ายและขยายใหญ่ เพื่อให้เทคโนโลยีนี้เข้าสู่การผลิตกึ่งตัวนำทางการค้า ศาสตราจารย์จางกล่าวเพิ่มเติมว่า: "เมื่อองค์ประกอบของทรานซิสเตอร์มีเพียงไม่กี่ชั้นอะตอม โดยอินเตอร์เฟซจะเป็นส่วนสำคัญของอุปกรณ์ ไม่เพียงแต่เป็นเพียงขอบเขต เมื่อควบคุมอินเตอร์เฟซระดับอะตอม วิศวกรสามารถเพิ่มความสามารถในการสนับสนุนการทำงานร่วมกันของวัสดุเพื่อเพิ่มทรานซิสเตอร์ ไม่เพียงแต่เพียงการค้นหาวัสดุใหม่"

ความท้าทายในอนาคตของเทคโนโลยีฟิล์มระดับอะตอม

เมื่อขนาดของทรานซิสเตอร์ลดลงอย่างต่อเนื่อง การควบคุมอินเตอร์เฟซระดับอะตอมเป็นสิ่งสำคัญ เทคโนโลยีฟิล์มระดับอะตอมที่พัฒนาใหม่นี้ไม่เพียงแต่สามารถปรับปรุงการสร้างฉนวนประตู แต่ยังสามารถลดการรั่วไหลได้อย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งสำคัญมากสำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพของอุปกรณ์อิเล็กทรونิกส์ แต่การท้าทายในการผลิตในกระบวนการทดลองยังต้องแก้ไข รวมถึงการถ่ายย้ายและการทำให้เทคนิคการทำให้ออกซิไดซ์เป็นที่เหมาะสม หากความท้าทายเหล่านี้สามารถเอาชนะได้ จะสามารถผลักดันให้อุตสาหกรรมกึ่งตัวนำเพิ่มเติมและส่งเสริมการค้าเพื่ออุปกรณ์อิเล็กทรونิกส์ที่มีประสิทธิภาพสูง