Tolags wolframdiselenidtransistorer med ON-tilstand strømtætheder over 1,5 milliampere pr. mikrometer

2D-halvledere kunne have bemærkelsesværdige fordele i forhold til konventionelle bulk-halvledere, såsom silicium. Mest bemærkelsesværdigt kan deres større modstand mod kortkanaleffekter gøre dem særligt lovende for udviklingen af ​​højtydende transistorer, som er afgørende komponenter i alle elektroniske enheder.

Forskere ved Hunan University har for nylig udviklet højtydende transistorer baseret på tolags wolframdiselenid, en uorganisk 2D-forbindelse med halvledende egenskaber. Disse transistorer, introduceret i et papir offentliggjort i Nature Electronics , viste sig at fungere lige så godt som eksisterende siliciumtransistorer med lignende kanallængder og drivspændinger.

Ved evaluering af transistorer baseret på 2D-halvledere kan ingeniører overveje forskellige parametre, herunder deres bærermobilitet og kontaktmodstand. Disse to værdier er dog blot estimeringer, der kan fejlberegnes eller fejlfortolkes, hvilket resulterer i inkonsistente estimeringer af en enheds ydeevne.

Strømtætheden i ON-tilstand, mængden af ​​elektrisk strøm, der flyder gennem et specifikt område, mens en enhed er i drift, har vist sig at være en langt mere pålidelig evalueringsparameter. I deres undersøgelse fokuserede forskerne således specifikt på at udvikle en transistor, der havde en ON-state strømtæthed, der kan sammenlignes med tilsvarende silicium-baserede enheder.

"TIL-tilstand strømtæthed (I _på ) eller mætningsstrømtæthed er et mere direkte og pålideligt mål til at vurdere transistorer med 2D-halvledere," sagde Xidong Duan, en af ​​forskerne, der udførte undersøgelsen, til TechXplore. "Det er stadig et åbent spørgsmål, om 2D-transistorer kan matche, konkurrere eller konkurrere med overgå de avancerede siliciumtransistorer. At besvare et sådant spørgsmål er afgørende for at inspirere mere seriøs interesse fra industrisamfundet."

De fleste 2D-transistorer udviklet til dato udviser et I _på værdi, der er væsentligt ringere end for siliciumenheder med sammenlignelige kanallængder (L _ch ) og drain-source bias (V _ds ). Dette begrænser i sidste ende deres potentiale for praktiske anvendelser i den virkelige verden.

I deres tidligere undersøgelser syntetiserede Duan og hans kolleger ultratynde 2D metal og in-situ dyrkede 2D metal/halvleder heterojunctions for at bygge højkvalitets felteffekttransistorer. Derudover skabte de skadefrie van der Waals (vdW) elektriske kontakter, der kunne bruges til at karakterisere de iboende egenskaber af 2D-halvledere.

"Selvom 2D-metaller, såsom vdW elektriske kontakter kunne forbedre ydeevnen af ​​2D-halvlederenheder, blev sådanne fremragende elektriske egenskaber opnået med en relativt lang kanallængde, mens ultrakorte kanalenheder med vdW elektrisk kontakt til evaluering af ydeevnen af ​​2D-halvledere stadig gav udfordringer " sagde Duan. "Fremstillingen af ​​ultrakorte kanalenheder kræver ofte aggressiv højopløsnings litografi og metalliseringsprocesser, som kan introducere uønsket forurening eller beskadigelse af de atomisk tynde 2DSC'er og dermed alvorligt kompromittere deres elektroniske ydeevne."

Med udgangspunkt i deres tidligere resultater brugte Duan og hans kolleger en naturlig revnedannelsesproces til at skabe et hul mellem fusionerede VSe₂ domæner dyrket på tolags WSe₂ . Dette gjorde det muligt for dem at udvikle ultrakort kanal dobbeltlags WSe₂ transistorer med optimerede syntetiske vdW-kontakter, der opnår en rekordhøj ON -tilstand strømtæthed på 1,72 mA/μm og en laveste lineær modstand på 0,50 kΩ·μm ved stuetemperatur.

"Vores resultater viser for første gang, at 2D-transistorer kan levere konkurrencedygtig strømtæthed ved en sammenlignelig kanallængde og drivspænding, når man sammenligner med de traditionelle Si-transistorer," sagde Duan. "Det gav et positivt svar på det mangeårige spørgsmål inden for "om 2D-transistorer kan opnå sammenlignelig eller bedre ydeevne end siliciumtransistorer."

Hidtil har de fleste tilgange til fremstilling af enheder med ultrakorte kanaler involveret brugen af ​​aggressive teknikker, herunder højopløsningslitografi og metalliseringsprocesser. Selvom disse teknikker kan være effektive, introducerer de også uønsket forurening eller beskadiger de anatomisk tynde 2DSC'er, hvilket alvorligt kan kompromittere enhedernes elektroniske ydeevne.

Da de fremstillede deres transistor, besluttede Duan og hans kolleger derfor at tage en anden tilgang. Mere specifikt brugte de en ren vdW-kontakt og ultrakort kanal, som blev defineret af den termiske spændingskontrollerede nanocrack-dannelse. Dette gjorde det muligt for dem at beholde WSe₂ transistorens oprindelige struktur og ydeevne så meget som muligt.

"De opnåede ultrakorte kanaler er generelt ret lige, adskilt fra litografisk definerede elektroder, der ofte udviser finite linjekantruhed, hvilket skaber en god betingelse for at udforske grænseydelsen af ​​WSe₂ transistorer," forklarede Duan. "Desuden tolags WSe₂ materialer har typisk mindre båndgab og bedre immunitet over for fabrikationsinducerede skader eller grænsefladespredning sammenlignet med deres monolag-modstykke."

I indledende evalueringer observerede forskerne bemærkelsesværdige strømtætheder på 1,0-1,7 mA μm ^-1 i sub-100 nm dobbeltlags WSe₂ transistorer, der overstiger det kritiske strømtæthedsmål for 2D-transistorer (dvs. 1,5 mA μm ^-1 ). Deres resultater kunne således have værdifulde anvendelser inden for elektronikteknik, da de viser, at transistorer baseret på 2D-halvledere kan levere konkurrencedygtige strømtætheder ved kanallængder og drivspændinger, der er sammenlignelige med siliciumbaserede transistorer.

"Vi mener, at realiseringen af ​​strømtætheden ud over de 1,5 mA/mm har givet et positivt svar på det langvarige spørgsmål inden for 'om 2D-transistorer kan opnå sammenlignelig eller bedre ydeevne end siliciumtransistorer'," sagde Duan. "Det kunne inspirere til yderligere indsats fra både det akademiske samfund og industrien for at fremme udviklingen af ​​en ny generation af 2D-halvleder- og chipteknologi efter siliciumbaseret halvleder."

I fremtiden kan det seneste arbejde fra Duan og hans kolleger opmuntre andre teams til at udvikle lignende enheder baseret på WSe₂ eller andre 2D-halvledere. De enheder, de har udviklet indtil videre, er dog endnu ikke fuldt optimeret. For eksempel blev holdet tvunget til at skabe dem ved hjælp af relativt tykke back-gate dielektriske stoffer (dvs. 70 nm SiN_x ), da dielektriske stoffer af høj kvalitet kan være svære at integrere på dinglende bindingsfrie 2D-overflader. Dielektrikkerne, de brugte, har en ret lille gate-kapacitans, som kan begrænse enhedens gate-koblingseffektivitet og det omfang, i hvilket gates kan styres.

"Vores næste undersøgelser vil fokusere på at udvikle højkvalitets gate-dielektrikum med minimum ækvivalent oxidtykkelse og minimum grænsefladetilstand for at opnå stærkere gatekontrol, højere strøm (tættere på de langsigtede mål på 3,0 mA μm ^{−1 ), mindre undertærskelsving (tættere på den teoretiske værdi 60 mV/dec) og lavere I _fra (100 pA μm −1 ), hvilket gør, at de overordnede nøgleydelsesparametre for 2D-transistorer har åbenlyse fordele i forhold til siliciumtransistorer," tilføjede Duan. "Derudover planlægger vi yderligere at forbedre integrationen af ​​2D-transistorer for at fremme den kommercielle anvendelse af 2D-transistorer ved at kombinere det store område. vækst af 2D halvleder TMD og 2D metal, avanceret litografiproces til mønster 2D metal kontakt arrays og skalerbar vdW integration proces." + Udforsk yderligere}

En indiumoxid-baseret transistor skabt ved hjælp af atomlagsaflejring

© 2022 Science X Network