В течение последних десятилетий инженеры-электронщики и материаловеды во всем мире исследовали потенциал различных материалов для изготовления транзисторов, устройств, которые усиливают или переключают электрические сигналы в электронных устройствах. Известно, что двумерные (2D) полупроводники являются особенно перспективными материалами для изготовления новых электронных устройств.
Несмотря на их преимущества, использование этих материалов в электронике во многом зависит от их интеграции с высококачественными диэлектриками, изоляционными материалами или материалами, плохо проводящими электрический ток. Однако эти материалы трудно наносить на двумерные полупроводниковые подложки.
Исследователи из Наньянского технологического университета, Пекинского университета, Университета Цинхуа и Пекинской академии квантовых информационных наук недавно продемонстрировали успешную интеграцию монокристаллического титрата стронция, оксида перовскита с высоким значением κ , с двумерными полупроводниками с использованием сил Ван-дер-Ваальса. Их статья, опубликованная в Nature Electronics, может открыть новые возможности для разработки новых типов транзисторов и электронных компонентов.
«Наша работа была в первую очередь вдохновлена статьей в Nature Materials , опубликованной в 2016 году», — рассказали TechXplore Ван Сяо Реншоу и Аллен Цзянь Ян, двое исследователей, проводивших исследование. «В этой статье представлен разумный подход к отдельно стоящим монокристаллическим перовскитным пленкам, которые обычно рассматривались как хрупкая керамика, но обладающие богатыми функциональными возможностями. Этот подход дает возможность переносить эти материалы на произвольные подложки и интегрировать их с различными материалами».
Как один из наиболее перспективных оксидов перовскита, SrTiO 3 обладает чрезвычайно высокой диэлектрической проницаемостью. Однако оказалось, что интегрировать оксид перовскита с материалами с другой атомной структурой практически невозможно.
«Обычно несоответствие решеток между монокристаллическими оксидами перовскита и 2D-слоистыми полупроводниками препятствует эпитаксиальному росту высококачественных оксидных слоев», — объяснили Реншоу и Янг. «Более того, условия для выращивания монокристаллических оксидов перовскита, которые включают высокую температуру и кислородную атмосферу, вредны для двумерных слоистых полупроводников. Однако в нашем процессе интеграции Ван-дер-Ваальса оксиды перовскита были выращены на подложки, а затем перенесены на двумерные слоистые полупроводники при комнатной температуре».
Реншоу Ван, Ян и их коллеги ранее провели несколько исследований, посвященных методам выращивания как оксидов, так и 2D-электроники. Опираясь на результаты, достигнутые в их предыдущих работах, они начали пытаться комбинировать оксиды перовскита с высоким значением κ и двумерные слоистые полупроводники для создания высокопроизводительных транзисторов.
Для этого исследователи выращивали оксиды перовскита с высоким значением κ на водорастворимом жертвенном слое. Впоследствии они подняли оксиды перовскита из этого слоя и перенесли их на два типа двумерных полупроводников с использованием эластомерной подложки (например, полидиметилсилоксан или PDMS). Они специально использовали дисульфид молибдена и диселенид вольфрама, два разных двумерных полупроводника, которые позволили им создать транзисторы n-типа и p-типа соответственно.
Реншоу Ван и Ян оценили созданные ими транзисторы в серии тестов и обнаружили, что они достигли замечательных результатов. В частности, транзисторы на основе дисульфида молибдена продемонстрировали отношение токов включения/выключения 10 8 при напряжении питания 1 В и минимальном подпороговом размахе 66 мВ dec-1.
«Мы успешно обошли ограничения в интеграции оксида перовскита с высоким значением κ и 2D-полупроводников, и наш подход может позволить практически неограниченное количество комбинаций материалов», — сказали Реншоу Ван и Ян. «Кроме того, мы обнаружили, что интерфейс между перенесенными оксидами перовскита с высоким k и MoS 2 имеет высокое качество, поскольку это позволило нам изготавливать полевые транзисторы с резкими подпороговыми наклонами».
В рамках своего недавнего исследования исследователи показали, что созданные ими транзисторы можно использовать для изготовления высокопроизводительных и маломощных комплементарных инверторных схем металл-оксид-полупроводник. В будущем их устройства можно будет производить в больших масштабах и использовать для разработки логических схем и микросхем с меньшим энергопотреблением.
«В наших следующих исследованиях мы попытаемся еще больше улучшить качество оксида перовскита с высоким значением k , чтобы снизить напряжение питания транзисторов и логических элементов », — добавили Реншоу и Ян. «В то же время мы будем контролировать ток утечки затвора и при необходимости использовать буферный слой или двойные оксиды с высоким k для блокировки утечки затвора».
