Ein einzelner 2D-Kristall wird im Labor zum Transistor

For more than two decades, researchers have hoped that atomically thin semiconductors could take over from silicon as devices shrink. The obstacle was rarely the semiconductor itself. It was everything around it. At the Institute for Basic Science (IBS), a team led by Jo Moon-Ho, director of the Center for Van der Waals Quantum Solids, has now built a transistor starting from a single layered crystal, converting selected layers into the insulator and contacts the device needs. The work is published in the journal Science.

Seit mehr als zwei Jahrzehnten hoffen Forscher, dass atomar dünne Halbleiter das Silizium ablösen könnten, wenn die Bauelemente immer kleiner werden. Das Hindernis lag selten im Halbleiter selbst. Es lag an allem, was ihn umgibt. Am Institute for Basic Science (IBS) hat ein Team unter Leitung von Jo Moon-Ho, dem Direktor des Center for Van der Waals Quantum Solids, nun einen Transistor aus einem einzigen Schichtkristall gebaut, indem ausgewählte Schichten in den Isolator und die Kontakte umgewandelt wurden, die das Bauteil benötigt. Die Arbeit ist in der Fachzeitschrift Science erschienen.

A transistor needs three different materials: a semiconductor to carry current, an insulating layer to control it, and metal contacts through which current enters and leaves. The surface of a 2D semiconductor offers few sites where other materials can attach, so a uniform insulator is hard to deposit, and depositing metal directly can damage the thin layer or create barriers that reduce performance. Peeling and stacking separate 2D materials one by one works in the lab but is hard to scale over large areas.

Ein Transistor braucht drei verschiedene Materialien: einen Halbleiter, der den Strom führt, eine Isolierschicht, die ihn steuert, und Metallkontakte, über die der Strom ein- und austritt. Die Oberfläche eines 2D-Halbleiters bietet nur wenige Stellen, an denen sich andere Materialien anlagern können. Deshalb lässt sich eine gleichmäßige Isolierschicht nur schwer aufbringen, und ein direkt aufgedampftes Metall kann die dünne Schicht beschädigen oder Barrieren erzeugen, die die Leistung mindern. Separate 2D-Materialien einzeln abzuziehen und zu stapeln funktioniert im Labor, lässt sich aber auf großen Flächen kaum skalieren.

The IBS team used the crystal itself as the only starting material. They began with tungsten diselenide (WSe₂), whose electrical behavior changes when some of the atoms around the tungsten layer are replaced. The upper layers were oxidized into an insulating tungsten oxide, which sits directly above the channel and serves as the gate dielectric, with an effective thickness below 1 nanometer. Other regions were converted into tungsten ditelluride (WTe₂), a semimetal used for the contacts, while unconverted regions kept their semiconducting properties. The reaction can be stopped after a chosen number of layers, at roughly 0.7 nanometer per WSe₂ monolayer.

Das IBS-Team verwendete den Kristall selbst als einziges Ausgangsmaterial. Es begann mit Wolframdiselenid (WSe₂), dessen elektrisches Verhalten sich ändert, wenn einige der Atome um die Wolframschicht ersetzt werden. Die oberen Schichten wurden zu einem isolierenden Wolframoxid oxidiert, das direkt über dem Kanal liegt und als Gate-Dielektrikum dient, bei einer effektiven Dicke von unter 1 Nanometer. Andere Bereiche wurden in Wolframditellurid (WTe₂) umgewandelt, ein Halbmetall, das für die Kontakte genutzt wird, während nicht umgewandelte Bereiche ihre halbleitenden Eigenschaften behielten. Die Reaktion lässt sich nach einer gewählten Anzahl von Schichten stoppen, bei etwa 0,7 Nanometer pro WSe₂-Monolage.

In the test devices, a change of only 61.3 millivolts in gate voltage increased the current tenfold, close to the theoretical room-temperature limit of about 60 millivolts per decade, and the on/off current ratio exceeded 10 million. The WTe₂ contacts reduced the barrier for charge injection to about one-third of the barrier seen with direct platinum contacts. The team also built n-type MoS₂ transistors using the same oxide, then stacked p-type and n-type transistors into a complementary inverter, the basic building block of digital logic, and showed that the voltage inverted as expected.

In den Testbauteilen erhöhte eine Änderung der Gate-Spannung um nur 61,3 Millivolt den Strom auf das Zehnfache, nahe der theoretischen Grenze von etwa 60 Millivolt pro Dekade bei Raumtemperatur. Das Verhältnis von Ein- zu Ausschaltstrom überstieg 10 Millionen. Die WTe₂-Kontakte senkten die Barriere für die Ladungsinjektion auf etwa ein Drittel der Barriere, die bei direkten Platinkontakten auftritt. Das Team baute außerdem n-Typ-Transistoren aus MoS₂ mit demselben Oxid und kombinierte p-Typ- und n-Typ-Transistoren zu einem komplementären Inverter, dem grundlegenden Baustein der digitalen Logik. Dabei zeigte sich, dass die Spannung wie erwartet invertiert wurde.

For chip designers, the promise is a route to what Jo calls ultralow-power, ultrascaled and vertically integrated semiconductor devices. The first gain would fall to researchers working on 2D electronics, because the method avoids the peeling and stacking step that the team describes as poorly suited to mass production. The study gives no timeline, no production process and no large-area test. Its results come from individual devices built in the lab, and turning them into manufactured circuits remains a separate step.

Für Chipentwickler verspricht das einen Weg zu dem, was Jo als extrem stromsparende, extrem verkleinerte und vertikal integrierte Halbleiterbauelemente bezeichnet. Den ersten Nutzen hätten Forscher im Bereich der 2D-Elektronik, denn das Verfahren umgeht den Schritt des Abziehens und Stapelns, den das Team für die Massenproduktion als ungeeignet beschreibt. Die Studie nennt weder einen Zeitplan noch ein Produktionsverfahren noch einen Test auf großer Fläche. Ihre Ergebnisse stammen von einzelnen, im Labor gefertigten Bauteilen, und ihre Umsetzung in produzierte Schaltkreise bleibt ein eigener Schritt.