2D-halfgeleiders kunnen aanzienlijke voordelen hebben ten opzichte van conventionele bulkhalfgeleiders, zoals silicium. Met name hun grotere weerstand tegen korte-kanaaleffecten zou ze bijzonder veelbelovend kunnen maken voor de ontwikkeling van hoogpresterende transistors, die cruciale componenten zijn van alle elektronische apparaten.

Onderzoekers van de Hunan University hebben onlangs hoogpresterende transistors ontwikkeld op basis van dubbellaags wolfraamdiselenide, een anorganische 2D-verbinding met halfgeleidende eigenschappen. Deze transistors, geïntroduceerd in een paper gepubliceerd in Nature Electronics , bleek even goed te presteren als bestaande siliciumtransistors met vergelijkbare kanaallengtes en stuurspanningen.

Bij het evalueren van transistors op basis van 2D-halfgeleiders, kunnen ingenieurs rekening houden met verschillende parameters, waaronder hun draaggolfmobiliteit en contactweerstand. Deze twee waarden zijn echter slechts schattingen die verkeerd kunnen worden berekend of verkeerd kunnen worden geïnterpreteerd, wat resulteert in inconsistente schattingen van de prestaties van een apparaat.

De stroomdichtheid in de AAN-toestand, de hoeveelheid elektrische stroom die door een specifiek gebied stroomt terwijl een apparaat in werking is, is een veel betrouwbaardere evaluatieparameter gebleken. In hun onderzoek richtten de onderzoekers zich dus specifiek op het ontwikkelen van een transistor met een stroomdichtheid in de ON-toestand die vergelijkbaar is met die van vergelijkbare op silicium gebaseerde apparaten.

"ON-state stroomdichtheid (I _aan ) of verzadigingsstroomdichtheid is een meer directe en betrouwbare maatstaf voor het beoordelen van transistors met 2D-halfgeleiders," vertelde Xidong Duan, een van de onderzoekers die het onderzoek uitvoerde, aan TechXplore. "Het blijft een open vraag of 2D-transistors kunnen matchen, concurreren of overtreffen de state-of-art siliciumtransistoren. Het beantwoorden van dergelijke vragen is essentieel om serieuzere interesse van de industriegemeenschap te wekken."

De meeste tot nu toe ontwikkelde 2D-transistoren vertonen een I _aan waarde die aanzienlijk lager is dan die van siliciumapparaten met vergelijkbare kanaallengtes (L _ch ) en drain-source bias (V _ds ). Dit beperkt uiteindelijk hun potentieel voor echte, praktische toepassingen.

In hun eerdere studies synthetiseerden Duan en zijn collega's ultradun 2D metaal en in-situ gegroeide 2D metaal/halfgeleider heterojuncties om hoogwaardige veldeffecttransistoren te bouwen. Daarnaast creëerden ze schadevrije van der Waals (vdW) elektrische contacten die konden worden gebruikt om de intrinsieke eigenschappen van 2D-halfgeleiders te karakteriseren.

"Hoewel 2D-metalen, zoals vdW-elektrische contacten de prestaties van 2D-halfgeleiderapparaten zouden kunnen verbeteren, werden zulke uitstekende elektrische eigenschappen bereikt met een relatief lange kanaallengte, terwijl ultrakorte kanaalapparaten met vdW elektrisch contact voor het evalueren van de prestaties van 2D-halfgeleiders nog steeds uitdagingen vormden ’, zei Duan. "De fabricage van apparaten met ultrakorte kanalen vereist vaak agressieve lithografie- en metallisatieprocessen met hoge resolutie, die ongewenste verontreinigingen of schade aan de atomair dunne 2DSC's kunnen veroorzaken, en dus hun elektronische prestaties ernstig in gevaar kunnen brengen."

Voortbouwend op hun eerdere bevindingen, gebruikten Duan en zijn collega's een natuurlijk scheurvormingsproces om een ​​kloof te creëren tussen de samengevoegde VSe₂ domeinen gegroeid op dubbellaagse WSe₂ . Hierdoor konden ze ultrakorte kanaal dubbellaags Wse₂ . ontwikkelen transistors met geoptimaliseerde synthetische vdW-contacten, waardoor een recordhoge ON . wordt bereikt -toestandsstroomdichtheid van 1,72 mA/μm en een laagste lineaire weerstand van 0,50 kΩ·μm bij kamertemperatuur.

"Onze resultaten tonen voor het eerst aan dat 2D-transistors een concurrerende stroomdichtheid kunnen leveren bij een vergelijkbare kanaallengte en stuurspanning in vergelijking met de traditionele Si-transistors," zei Duan. "Het gaf een positief antwoord op de al lang bestaande vraag op het gebied van "of 2D-transistoren vergelijkbare of betere prestaties kunnen leveren dan de siliciumtransistors."

Tot nu toe waren de meeste benaderingen voor het vervaardigen van apparaten met ultrakorte kanalen het gebruik van agressieve technieken, waaronder lithografie met hoge resolutie en metallisatieprocessen. Hoewel deze technieken effectief kunnen zijn, introduceren ze ook ongewenste verontreinigingen of beschadigen ze de anatomisch dunne 2DSC's, wat de elektronische prestaties van de apparaten ernstig in gevaar kan brengen.

Bij het fabriceren van hun transistor besloten Duan en zijn collega's dus een andere aanpak te kiezen. Meer specifiek gebruikten ze een schoon vdW-contact en een ultrakort kanaal, dat werd gedefinieerd door de thermische stress-gecontroleerde nanoscheurvorming. Hierdoor konden ze de WSe₂ . behouden de originele structuur en prestaties van de transistor zoveel mogelijk.

"De verkregen ultrakorte kanalen zijn over het algemeen vrij recht, verschillend van lithografisch gedefinieerde elektroden die vaak een eindige lijnrandruwheid vertonen, wat een goede voorwaarde creëert voor het verkennen van de limietprestaties van WSe₂ transistors," legde Duan uit. "Bovendien is dubbellaagse WSe₂ materialen hebben doorgaans kleinere bandgaps en een betere immuniteit voor de fabricage-geïnduceerde schade of grensvlakverstrooiing, vergeleken met hun tegenhanger uit één laag."

Bij de eerste evaluaties observeerden de onderzoekers opmerkelijke stroomdichtheden van 1,0–1,7 mA μm ^-1 in sub-100 nm dubbellaagse Wse₂ transistors, die de kritische stroomdichtheidsdoelstelling voor 2D-transistors overschrijden (d.w.z. 1,5 mA μm ^-1 ). Hun bevindingen kunnen dus waardevolle toepassingen hebben op het gebied van elektronica-engineering, omdat ze aantonen dat transistors op basis van 2D-halfgeleiders concurrerende stroomdichtheden kunnen leveren bij kanaallengtes en stuurspanningen die vergelijkbaar zijn met die van op silicium gebaseerde transistors.

"Wij geloven dat de realisatie van de stroomdichtheid boven de 1,5 mA/mm een ​​positief antwoord heeft gegeven op de al lang bestaande vraag op het gebied van 'of 2D-transistors vergelijkbare of betere prestaties kunnen leveren dan de siliciumtransistors'", zei Duan. "Het zou kunnen inspireren tot extra inspanningen van zowel de academische als de industriële gemeenschap om de ontwikkeling van een nieuwe generatie 2D-halfgeleider- en chiptechnologie na op silicium gebaseerde halfgeleiders te bevorderen."

In de toekomst zou het recente werk van Duan en zijn collega's andere teams kunnen aanmoedigen om soortgelijke apparaten te ontwikkelen op basis van WSe₂ of andere 2D-halfgeleiders. De apparaten die ze tot nu toe hebben ontwikkeld, zijn echter nog niet volledig geoptimaliseerd. Het team werd bijvoorbeeld gedwongen om ze te maken met behulp van relatief dikke back-gate-diëlektrica (d.w.z. 70 nm SiN_x ), omdat hoogwaardige diëlektrica moeilijk te integreren zijn op loshangende 2D-oppervlakken. De diëlektrica die ze gebruikten hebben een vrij kleine poortcapaciteit, wat de efficiëntie van de poortkoppeling van het apparaat en de mate waarin poorten kunnen worden bestuurd, kan beperken.

"Onze volgende onderzoeken zullen zich richten op het ontwikkelen van hoogwaardige gate-diëlektrica met een minimale equivalente oxidedikte en minimale interfacestatus om sterkere gate-controle, hogere stroomsterkte te bereiken (dichter bij de langetermijndoelen van 3,0 mA μm ⁻¹ ), kleinere subthreshold swing (dichter bij de theoretische waarde 60 mV/dec) en lagere I _uit (100 pA μm ⁻¹ ), waardoor de algemene prestatieparameters van 2D-transistors duidelijke voordelen hebben ten opzichte van siliciumtransistors," voegde Duan eraan toe. "Bovendien zijn we van plan om de integratie van 2D-transistors verder te verbeteren om de commerciële toepassing van 2D-transistors te bevorderen door de grote oppervlakte groei van 2D halfgeleider TMD en 2D metaal, geavanceerd lithografieproces om 2D metalen contactarrays te modelleren en schaalbaar vdW-integratieproces." + Verken verder

Een op indiumoxide gebaseerde transistor gemaakt met behulp van atomaire laagafzetting

© 2022 Science X Network