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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.
Durante más de dos décadas, los investigadores han esperado que los semiconductores de espesor atómico puedan reemplazar al silicio a medida que los dispositivos se reducen. El obstáculo rara vez fue el semiconductor en sí. Lo fue todo lo que lo rodea. En el Instituto de Ciencias Básicas (IBS), un equipo dirigido por Jo Moon-Ho, director del Centro de Sólidos Cuánticos de Van der Waals, ha construido ahora un transistor a partir de un único cristal en capas, convirtiendo capas seleccionadas en el aislante y los contactos que necesita el dispositivo. El trabajo se publica en la revista Science.
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.
Un transistor necesita tres materiales diferentes: un semiconductor que transporte la corriente, una capa aislante que la controle y contactos metálicos por donde la corriente entra y sale. La superficie de un semiconductor 2D ofrece pocos puntos donde otros materiales puedan adherirse, así que un aislante uniforme es difícil de depositar, y depositar metal directamente puede dañar la capa fina o crear barreras que reducen el rendimiento. Despegar y apilar materiales 2D separados, uno a uno, funciona en el laboratorio, pero es difícil de escalar a grandes superficies.
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.
El equipo del IBS utilizó el propio cristal como único material de partida. Partieron del diseleniuro de wolframio (WSe₂), cuyo comportamiento eléctrico cambia cuando se reemplazan algunos de los átomos alrededor de la capa de wolframio. Las capas superiores se oxidaron hasta formar un óxido de wolframio aislante, situado directamente sobre el canal y que actúa como dieléctrico de puerta, con un espesor efectivo inferior a 1 nanómetro. Otras zonas se convirtieron en ditelururo de wolframio (WTe₂), un semimetal utilizado para los contactos, mientras que las zonas no convertidas conservaron sus propiedades semiconductoras. La reacción puede detenerse tras un número elegido de capas, a razón de unos 0,7 nanómetros por monocapa de WSe₂.
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.
En los dispositivos de prueba, un cambio de solo 61,3 milivoltios en la tensión de puerta aumentó la corriente diez veces, cerca del límite teórico a temperatura ambiente de unos 60 milivoltios por década, y la relación de corriente encendido/apagado superó los 10 millones. Los contactos de WTe₂ redujeron la barrera de inyección de carga a aproximadamente un tercio de la barrera observada con contactos directos de platino. El equipo también construyó transistores de MoS₂ de tipo n usando el mismo óxido, y luego apiló transistores de tipo p y de tipo n para formar un inversor complementario, el bloque básico de la lógica digital, y demostró que la tensión se invirtió como se esperaba.
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.
Para los diseñadores de chips, la promesa es una vía hacia lo que Jo denomina dispositivos semiconductores de ultrabajo consumo, ultraescalados e integrados verticalmente. El primer beneficio recaería en los investigadores de la electrónica 2D, porque el método evita el paso de despegar y apilar, que el equipo describe como poco adecuado para la producción en masa. El estudio no ofrece calendario, proceso de producción ni prueba a gran superficie. Sus resultados proceden de dispositivos individuales fabricados en laboratorio, y convertirlos en circuitos fabricados sigue siendo una etapa aparte.