Transistores de disseleneto de tungstênio de camada dupla com densidades de corrente no estado ligado acima de 1,5 miliamperes por micrômetro
Características elétricas dos transistores WSe2 bicamada sub-100 nm. a, Ilustração esquemática do fluxo do processo para formar transistores WSe2 de camada dupla de comprimento de canal abaixo de 100 nm com contatos VSe2 vdW sintéticos através da formação controlada de trincas. b, imagem de microscopia óptica de um par de domínios hexagonais VSe2 no WSe2 com um nanogap aparente. Barras de escala:5 μm. c,d, imagens SEM dos transistores WSe2 bicamada com comprimentos de canal de 76 nm e 20 nm. Barras de escala:100 nm. d,g, Características de saída dos transistores WSe2 de 76 nm e 20 nm em várias tensões de back-gate com um passo de 5 V. e,h, Curvas de transferência dos transistores WSe2 de bicamada de 76 nm e 20 nm em várias tensões de polarização. Crédito:Wu et al.
Os semicondutores 2D podem ter vantagens notáveis sobre os semicondutores convencionais, como o silício. Mais notavelmente, sua maior resistência aos efeitos de canal curto pode torná-los particularmente promissores para o desenvolvimento de transistores de alto desempenho, que são componentes cruciais de todos os dispositivos eletrônicos.
Pesquisadores da Universidade de Hunan desenvolveram recentemente transistores de alto desempenho baseados em disseleneto de tungstênio de camada dupla, um composto 2D inorgânico com propriedades semicondutoras. Esses transistores, introduzidos em um artigo publicado na
Nature Electronics , foi encontrado para funcionar tão bem quanto os transistores de silício existentes com comprimentos de canal e tensões de condução semelhantes.
Ao avaliar transistores baseados em semicondutores 2D, os engenheiros podem considerar diferentes parâmetros, incluindo sua mobilidade de portadora e resistência de contato. Esses dois valores, no entanto, são meras estimativas que podem ser mal calculadas ou mal interpretadas, resultando em estimativas inconsistentes do desempenho de um dispositivo.
A densidade de corrente no estado LIGADO, a quantidade de corrente elétrica que flui através de uma área específica enquanto um dispositivo está operando, foi considerada um parâmetro de avaliação muito mais confiável. Em seu estudo, os pesquisadores se concentraram especificamente no desenvolvimento de um transistor que tivesse uma densidade de corrente no estado ligado comparável à de dispositivos semelhantes baseados em silício.
"Densidade de corrente no estado LIGADO (
I ligado ) ou densidade de corrente de saturação é uma medida mais direta e confiável de avaliar transistores com semicondutores 2D", disse Xidong Duan, um dos pesquisadores que realizaram o estudo, ao TechXplore. superar os transistores de silício de última geração. Responder a essa pergunta é essencial para inspirar um interesse mais sério da comunidade da indústria."
A maioria dos transistores 2D desenvolvidos até hoje exibem um
I ligado valor significativamente inferior ao dos dispositivos de silício com comprimentos de canal comparáveis (
L ch ) e polarização da fonte de drenagem (
V ds ). Em última análise, isso limita seu potencial para aplicações práticas do mundo real.
Em seus estudos anteriores, Duan e seus colegas sintetizaram metal 2D ultrafino e heterojunções de metal/semicondutor 2D cultivadas in-situ para construir transistores de efeito de campo de alta qualidade. Além disso, eles criaram contatos elétricos de van der Waals (vdW) sem danos que poderiam ser usados para caracterizar as propriedades intrínsecas de semicondutores 2D.
"Embora metais 2D, como contatos elétricos vdW, possam melhorar o desempenho de dispositivos semicondutores 2D, essas excelentes propriedades elétricas foram alcançadas com um comprimento de canal relativamente longo, enquanto dispositivos de canal ultracurto com contato elétrico vdW para avaliar o desempenho de semicondutores 2D ainda apresentavam desafios ", disse Duan. “A fabricação de dispositivos de canal ultracurto geralmente requer processos agressivos de litografia e metalização de alta resolução, que podem introduzir contaminações ou danos indesejados aos 2DSCs atomicamente finos e, assim, comprometer seriamente seu desempenho eletrônico”.
Com base em suas descobertas anteriores, Duan e seus colegas utilizaram um processo natural de formação de rachaduras para criar uma lacuna entre o VSe mesclado
2 domínios cultivados em WSe de camada dupla
2 . Isso permitiu que eles desenvolvessem WSe de bicamada de canal ultracurto
2 transistores com contatos vdW sintéticos otimizados, alcançando um recorde
ON -state densidade de corrente de 1,72 mA/μm e uma resistência linear mais baixa de 0,50 kΩ·μm à temperatura ambiente.
"Nossos resultados demonstram pela primeira vez que os transistores 2D podem fornecer densidade de corrente competitiva em um comprimento de canal e tensão de condução comparáveis quando comparados aos transistores tradicionais de Si", disse Duan. "Ele deu uma resposta positiva para a pergunta de longa data no campo de "se os transistores 2D podem alcançar um desempenho comparável ou melhor do que os transistores de silício".
Até agora, a maioria das abordagens para a fabricação de dispositivos com canais ultracurtos envolveu o uso de técnicas agressivas, incluindo litografia de alta resolução e processos de metalização. Embora essas técnicas possam ser eficazes, elas também introduzem contaminações indesejadas ou danificam os 2DSCs anatomicamente finos, o que pode comprometer seriamente o desempenho eletrônico dos dispositivos.
Ao fabricar seu transistor, Duan e seus colegas decidiram adotar uma abordagem diferente. Mais especificamente, eles usaram um contato vdW limpo e um canal ultracurto, que foi definido pela formação de nanotrincas controladas por estresse térmico. Isso permitiu que eles mantivessem o WSe
2 estrutura original e desempenho do transistor tanto quanto possível.
"Os canais ultracurtos obtidos são geralmente bastante retos, distintos dos eletrodos definidos litograficamente que geralmente exibem rugosidade de borda de linha finita, o que cria uma boa condição para explorar o desempenho limite do WSe
2 transistores", explicou Duan. "Além disso, bicamada WSe
2 Os materiais normalmente têm bandgaps menores e melhor imunidade aos danos induzidos pela fabricação ou dispersão interfacial, em comparação com sua contraparte de monocamada."
Nas avaliações iniciais, os pesquisadores observaram notáveis densidades de corrente no estado de 1,0–1,7 mA μm
-1
em bicamada sub-100 nm WSe
2 transistores, excedendo a meta de densidade de corrente crítica para transistores 2D (ou seja, 1,5 mA μm
-1
). Suas descobertas podem, portanto, ter aplicações valiosas para o campo da engenharia eletrônica, pois mostram que os transistores baseados em semicondutores 2D podem fornecer densidades de corrente competitivas em comprimentos de canal e tensões de acionamento que são comparáveis às de transistores baseados em silício.
"Acreditamos que a realização da densidade de corrente além de 1,5 mA/mm deu uma resposta positiva para a pergunta de longa data no campo de 'se os transistores 2D podem alcançar um desempenho comparável ou melhor do que os transistores de silício'", disse Duan. "Isso poderia inspirar esforços adicionais tanto da comunidade acadêmica quanto da indústria para promover o desenvolvimento de uma nova geração de semicondutores 2D e tecnologia de chip após o semicondutor à base de silício".
No futuro, o trabalho recente de Duan e seus colegas pode incentivar outras equipes a desenvolver dispositivos semelhantes baseados em WSe
2 ou outros semicondutores 2D. No entanto, os dispositivos que eles desenvolveram até agora ainda não estão totalmente otimizados. Por exemplo, a equipe foi forçada a criá-los usando dielétricos de porta traseira relativamente grossos (ou seja, 70 nm SiN
x ), já que dielétricos de alta qualidade podem ser difíceis de integrar em superfícies 2D livres de ligações pendentes. Os dielétricos que eles usaram têm uma capacitância de porta bastante pequena, o que pode limitar a eficiência de acoplamento de porta do dispositivo e a extensão em que as portas podem ser controladas.
"Nossos próximos estudos se concentrarão no desenvolvimento de dielétricos de porta de alta qualidade com espessura mínima de óxido equivalente e estado mínimo de interface para obter um controle de porta mais forte, corrente mais alta (mais perto dos objetivos de longo prazo de 3,0 mA μm
−1
), oscilação de sublimiar menor (mais próxima do valor teórico 60 mV/dec) e
I menor
desligado (100 pA μm
−1
), fazendo com que os principais parâmetros gerais de desempenho dos transistores 2D tenham vantagens óbvias sobre os transistores de silício", acrescentou Duan. "Além disso, planejamos melhorar ainda mais a integração de transistores 2D para promover a aplicação comercial de transistores 2D combinando o crescimento de TMD semicondutor 2D e metal 2D, processo de litografia avançado para padronizar matrizes de contato de metal 2D e processo de integração vdW escalável."
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