Полевые транзисторы (FET) — это транзисторы, в которых сопротивление большей части электрического тока можно контролировать поперечным электрическим полем. За последнее десятилетие или около того эти устройства оказались очень ценными решениями для управления потоком тока в полупроводниках.
Для дальнейшего развития полевых транзисторов инженеры-электронщики во всем мире в последнее время пытаются уменьшить их размер. Хотя было обнаружено, что эти усилия по уменьшению масштаба увеличивают скорость устройства и снижают энергопотребление, они также связаны с эффектами короткого канала (т. е. неблагоприятными эффектами, которые возникают, когда длина канала полевого транзистора приблизительно равна областям пространственного заряда соединения истока и стока в его подложке).
Эти нежелательные эффекты, в том числе снижение барьера и насыщение скоростей, можно подавить, используя двумерные полупроводниковые каналы с высокой подвижностью носителей и сверхтонкие диэлектрики с высоким k (т. е. материалы с высокими диэлектрическими проницаемостями). Интеграция двумерных полупроводников с диэлектриками с аналогичной толщиной оксида оказалась очень сложной задачей.
Исследователи из Пекинского университета и Техасского университета в Остине недавно продемонстрировали успешную интеграцию диэлектрического слоя толщиной менее 0,5 нм с двумерными полупроводниковыми транзисторами. Их дизайн, представленный в статье, опубликованной в Nature Electronics, может в конечном итоге проложить путь к разработке меньших, более быстрых и более эффективных полевых транзисторов.
«Ранее мы синтезировали поликристаллический оксидный диэлектрик 2D Bi 2 O 2 Se с высокой κ (диэлектрической проницаемостью) и обнаружили, что его эквивалентная толщина оксида (EOT) может быть уменьшена до 0,9 нм, но ток утечки превышает допустимый. предел низкой мощности», — сказал TechXplore Хайлин Пэн, один из исследователей, проводивших исследование. «Вдохновленные слоистой кристаллической структурой 2D Bi 2 O 2 Se и интеркалированием 2D материалов, мы разработали процесс интеркаляционного окисления, чтобы сохранить каркас решетки предшественника, чтобы получить монокристаллический естественный оксид с лучшей изоляционной способностью для дальнейшего уменьшения масштаба. .»
Чтобы интегрировать свой диэлектрик с двумерными полупроводниками, Пэн и его коллеги использовали процесс, называемый интеркаляционным окислением с помощью УФ-излучения. Во- первых, они разлагали содержащиеся в воздухе молекулы кислорода на атомарный кислород с помощью ультрафиолетовых (УФ) лучей с длиной волны 185 нм, испускаемых ртутной лампой низкого давления.
Впоследствии они использовали атомарный кислород для окисления слоя Se 2- в двумерном полупроводнике Bi 2 O 2 Se между двумя слоями [Bi 2 O 2 ] n 2n+ , не влияя на свойства слоя [Bi 2 O 2 ] n 2n+ . слои. Этот процесс привел к образованию новой «слоистой фазы», унаследовавшей монокристаллическую структуру [Bi 2 O 2 ] n 2n+ исходного образца Bi 2 O 2 Se.
«Подтверждено, что синтезированный оксид является монокристаллическим естественным диэлектриком и назван β-Bi 2 SeO 5 », — пояснил Пэн. «Монокристаллический естественный оксид β-Bi 2 SeO 5 имеет высокую диэлектрическую проницаемость, не зависящую от толщины, около 22, ультраплоскую поверхность раздела с согласованной решеткой и превосходную изоляционную способность. Даже при уменьшении до 2,3 нм и EOT (эквивалентная толщина оксида, 3,9×толщина/диэлектрическая постоянная) составляет всего 0,41 нм, ток утечки при напряжении затвора 1 В все еще ниже предела малой мощности (0,015 А/см 2 ), что соответствует промышленным требованиям к диэлектрикам в транзисторах следующего поколения. »
Первоначальные испытания, проведенные Пэном и его коллегами, дали интересные результаты. В целом, их результаты показывают, что β-Bi 2 SeO 5 , материал, который они создали, может быть многообещающим для разработки сверхтонкого диэлектрика с высокой κ ( диэлектрической проницаемостью ) затвора в 2D-транзисторах.
«Наиболее заметным достижением нашего исследования стала успешная интеграция диэлектриков EOT размером менее 0,5 нм в 2D-транзисторы с верхним затвором, что соответствует эталонным показателям диэлектриков, указанным в Международной дорожной карте для устройств и систем 2021 года», — сказал Пэн. «Таким образом, одна из проблем для 2D-электроники, интеграция со сверхтонким диэлектриком EOT толщиной менее 0,5 нм, была преодолена».
Эта группа исследователей продемонстрировала возможность интеграции двумерных полупроводников с диэлектриками с высоким значением k . В будущем материал, который они создали, и метод, представленный в их статье, можно будет использовать для создания меньших по размеру и высокопроизводительных полевых транзисторов, на которые не будут отрицательно влиять эффекты короткого канала.
«Теперь мы будем дополнительно исследовать совместимость β-Bi 2 SeO 5 с другими распространенными двумерными материалами и металлическими электродами», — добавил Пэн. «Кроме того, крупномасштабный процесс переноса Bi 2 SeO 5 или его предшественника Bi 2 O 2 Se также желателен для интеграции этого ультратонкого диэлектрика с высоким значением κ с широким спектром 2D-материалов».
