Er is veel vraag naar transistors op nanoschaal voor efficiënte digitale circuits, en de voorspanning van elk apparaat is van cruciaal belang. Deze stringente voorspanningsomstandigheden kunnen worden versoepeld door nauwkeurige waarden van de drempelspanningen van de transistor te verkrijgen. Dit leidt tot tolerantere logische toestanden voor de elektrische ruis.

Om aan de eisen van een lager energieverbruik te voldoen, zijn CMOS-veldeffecttransistors (FET's) zodanig gefabriceerd dat ze in de verbeteringsmodus (E) werken, dat wil zeggen dat er geen vrije ladingsdragers in het kanaal zijn bij een poortspanning van nul. Aan de andere kant hebben transistors in de uitputtingsmodus (D) hogere stromen dan in de verbeteringsmodus vanwege de ruime ladingsdragerdichtheid.

In tegenstelling tot schakeltoepassingen van FET is voor hoogfrequente toepassingen de uit-stand van FET geen verplichte vereiste. In feite is de aanwezigheid van een kanaal met een poortvoorspanning van nul voordelig om een ​​hoge transconductantie te verkrijgen bij lagere spanningen. Voor Si-FET's werden de versterkings- of uitputtingsmodi bepaald tijdens de fabricagestap van ionenimplantatiedotering. Het is echter een uitdaging om deze oplossing te implementeren voor de nieuwe generatie dunne materialen zoals organische halfgeleiders en 2D-materialen.

Dat blijkt uit nieuw onderzoek gepubliceerd in ACS Applied Electronic Materials Door een bepaalde werkfunctie voor een poortmetaal te kiezen, kunnen drempelspanningen van de p-type FET's worden gewijzigd van negatieve naar positieve waarden, wat selectief schakelen is tussen de verbeteringsmodus en de uitputtingsmodus.

De onderzoekers vervaardigden de FET's experimenteel met verschillende poortmetaalelektroden met verschillende werkfuncties. De diëlektrische aluminiumoxidedikte was slechts 5 nm. Vanwege deze korte scheiding tussen het poortmetaal en het organische p-type halfgeleidende kanaal was er elektrostatische interactie daartussen, zelfs zonder de toepassing van externe spanning. Wanneer metaal met een lage werkfunctie, zoals aluminium (4,4 eV), wordt gebruikt, werkt de FET in de verbeteringsmodus.

Voor poortmetalen met een hoge werkfunctie, zoals goud (5,0 eV), wordt een bepaald aantal gaten in het kanaal geïnduceerd bij een poortspanning van nul. Dit leidt tot een goede hoeveelheid stroom, wat bekend staat als depletiemodus.

Om deze experimentele observatie te bevestigen, voerden de onderzoekers TCAD-apparaatsimulaties uit. De simulaties produceerden kleurcontourgrafieken van de geïnduceerde gatdichtheid. Dit soort matching van experimentele en simulatieresultaten is erg belangrijk vanuit technologisch oogpunt en grootschalige productie.

De hoofdauteur, Dr. Abhay Sagade van SRMIST, India, onthulde dat de waargenomen effecten diepgaand zijn voor dunne diëlektrische diktes, zoals die van minder dan 10 nm. Voor grotere diktes blijven de FET's in de verbeteringsmodus, zelfs voor poortmetalen met een hoge werkfunctie.

Dit concept kan eenvoudig worden uitgebreid naar alle dunne organische, anorganische en 2D-materialen van de nieuwe generatie. Met behulp van deze methode zou het mogelijk moeten zijn om compactere, nauwkeurigere en herconfigureerbare digitale logische en oscillatorapparaten en -circuits te vervaardigen. Verder kunnen D-mode OFET's met verbeterde stromen efficiënt worden gebruikt voor hoogfrequente toepassingen.

Dit heeft ook enorme gevolgen voor opkomende kwantumapparaten en technologische toepassingen die gebruik maken van kleindimensionale gevoelige apparaten.

Meer informatie: Abhay A. Sagade, selectieve werking van verbeterings- en uitputtingsmodi van veldeffecttransistors op nanoschaal, ACS toegepaste elektronische materialen (2024). DOI:10.1021/acsaelm.3c01825

Aangeboden door het SRM Instituut voor Wetenschap en Technologie