Исследователи разрабатывают подход к изготовлению высокопроизводительных транзисторов на основе 2D-полупроводников.

Двумерные (2D) полупроводниковые материалы обладают отчетливыми оптоэлектронными свойствами, которые могут быть полезны для разработки сверхтонких и настраиваемых электронных компонентов. Несмотря на их потенциальные преимущества перед объемными полупроводниками, оптимальное взаимодействие этих материалов с диэлектриками затвора до сих пор оказалось сложной задачей, что часто приводило к образованию межфазных ловушек, которые быстро ухудшали характеристики транзисторов.

Исследователи из Университета науки и технологий короля Абдаллы (KAUST), Университета Сучжоу и других институтов по всему миру недавно представили подход, который может позволить создавать более эффективные транзисторы на основе 2D-полупроводников. Предлагаемая ими конструкция, изложенная в статье в журнале Nature Electronics, предполагает использование диэлектриков из гексагонального нитрида бора (h-BN) и металлических электродов затвора с высокой энергией когезии.

«Первоначально мы обнаружили, что когда мы используем платину (Pt) в качестве анода, батарея h-BN с меньшей вероятностью вызовет пробой диэлектрика», — рассказал Tech Xplore Яцин Шен, первый автор статьи. «Основываясь на этом открытии, мы разработали наши эксперименты и обнаружили, что стопки затворов Pt/h-BN показывают в 500 раз меньший ток утечки, чем стопки затворов Au/h-BN, и демонстрируют высокую диэлектрическую прочность, по меньшей мере, 25 МВ/см. Это дал нам идею использовать CVD h-BN в качестве диэлектрика затвора в 2D-транзисторах».

Шен, профессор Марио Ланца и их коллеги изготовили более 1000 устройств, используя химический осажденный из паровой фазы h-BN в качестве диэлектрика. Когда они оценили эти устройства, они обнаружили, что диэлектрики затвора h-BN лучше всего совместимы с металлами с высокой когезионной энергией, такими как Pt и вольфрам (W).

«Чтобы изготовить транзисторы с вертикальной структурой Pt/h-BN/MoS2, мы начали с очистки подложки SiO2/Si с помощью ультразвуковых ванн в ацетоне, спирте и деионизированной воде», — объяснил Шен. «Электроды истока и стока (Ti/Au) были нанесены на эту подложку с помощью электронно-лучевой литографии и нанесены методом электронно-лучевого осаждения. Впоследствии MoS2 был отслоен от природного кристалла и перенесен на эти электроды, чтобы сформировать канал. CVD h- Пленка BN была перенесена на эту структуру посредством мокрого переноса».

На последнем этапе процесса изготовления транзисторов исследователи нанесли на платиновый электрод затвора рисунок с помощью электронно-лучевой литографии, а затем нанесли его с помощью метода, известного как электронно-лучевое испарение. Чистый интерфейс Ван-дер-Ваальса между MoS2 и h-BN в транзисторе команды повышает его надежность и производительность, сводя к минимуму дефекты и улучшая управление затвором.

«Мы обнаружили, что вопреки мнению о том, что CVD h-BN является плохим диэлектриком затвора, выбор правильных металлических электродов позволяет эффективно использовать его в полевых транзисторах с каналами MoS2», — сказал Шен. «MoS2 и h-BN образуют чистый интерфейс Ван-дер-Ваальса, что повышает надежность. Наши результаты показывают, что использование металлов с высокой когезионной энергией, таких как Pt и W, делает CVD h-BN эффективным диэлектриком затвора в 2D-транзисторах».

Подход этой исследовательской группы к изготовлению двумерных полупроводниковых транзисторов на данный момент оказался весьма многообещающим, поскольку он снижает утечку токов и обеспечивает высокую диэлектрическую прочность не менее 25 МВ см-1. Первоначальные испытания показали, что электроды затвора на основе Pt и W уменьшают ток утечки через диэлектрики h-BN примерно в 500 раз по сравнению с аналогичными транзисторами с золотыми (Au) электродами.

Недавняя работа Шен и ее коллег может облегчить использование 2D-материалов для изготовления надежных твердотельных микроэлектронных схем и устройств.