Integración de materiales híbridos ultradelgados de alta constante dieléctrica sobre semiconductores bidimensionales

 

La reducción continua del tamaño de puerta de los transistores de efectos de campo (FETs) de tipo metal-óxido-semiconductor (MOS) basados en el Si se acerca a su límite fundamental. Uno de los retos es reducir el espesor del canal semiconductor para mitigar el efecto de disminuir el largo del canal. Una solución tecnológica para la próxima generación de FETs la brindan los semiconductores bidimensionales (2D) de van der Waals (vdW), como los dicalcogenuros de metales de transición (MoS₂, WSe₂, etc.) y el fósforo negro, los cuales pueden ser crecidos en capas con espesor atómico permitiendo un control de puerta sin precedentes en una arquitectura MOSFET.

Sin embargo, sigue siendo difícil integrar dieléctricos ultra-delgados y uniformes de alto valor de la constante dieléctrica κ en semiconductores 2D para fabricar FETs con mayor capacitancia de puerta.

Con este trabajo, un grupo de investigadores de China reportan una metodología versátil de dos pasos para integrar una película dieléctrica de alta calidad con un espesor de óxido equivalente (EOT, del inglés equivalent oxide thickness) menores a 1 nm sobre semiconductores 2D. Primero, empleando la evaporación térmica, depositaron una capa molecular inorgánica de Sb₂O₃ homogéneamente sobre MoS₂ la cual funciona como capa amortiguadora o mediadora. La capa molecular de Sb₂O₃ forma una interfaz óxido-semiconductor tipo vdW de alta calidad que elimina el carácter hidrofóbico del semiconductor 2D y a la vez, ofrece una superficie altamente hidrófila. Segundo, empleando la técnica de depósito por capas atómicas (ALD), logran crecer películas ultra-delgadas de alta-κ de HfO₂ sobre la capa de Sb₂O₃. 

Usando esta metodología, los investigadores fabricaron FET constituidos por una capa híbrida inorgánica dieléctrica de Sb₂O₃/HfO₂ con un mínimo EOT (0.67 nm) crecida sobre monocapas de MoS₂. Los transistores exhiben una relación de encendido/apagado de más de 106 utilizando un voltaje operativo ultra bajo de 0.4 V, logrando una eficiencia de activación sin precedentes. Sus resultados contribuyen al camino para integrar materiales 2D, dieléctricos y semiconductores, en la fabricación de los próximos dispositivos electrónicos ultra-pequeños de baja potencia.

 

El trabajo fue publicado en Nature Materials.