Elektriska egenskaper hos sub-100 nm dubbelskikts WSe2-transistorer. a, Schematisk illustration av processflödet för att bilda tvålagers WSe2-transistorer med en kanallängd under 100 nm med syntetiska VSe2 vdW-kontakter genom kontrollerad sprickbildning. b, Optisk mikroskopibild av ett par hexagonala VSe2-domäner på WSe2 med en uppenbar nanogap. Skalstänger:5 μm. c,d, SEM-bilder av tvåskikts WSe2-transistorerna med 76 nm och 20 nm kanallängder. Skalstaplar:100 nm. d,g, Utgångskarakteristika för 76 nm och 20 nm WSe2 transistorerna vid olika back-gate spänningar med ett steg på 5 V. e,h, Överföringskurvor för 76 nm och 20 nm dubbelskikts WSe2 transistorer vid olika förspänningar. Kredit:Wu et al.
2D-halvledare kan ha anmärkningsvärda fördelar jämfört med konventionella bulkhalvledare, såsom kisel. Framför allt kan deras större motstånd mot kortkanalseffekter göra dem särskilt lovande för utvecklingen av högpresterande transistorer, som är avgörande komponenter i alla elektroniska enheter.
Forskare vid Hunan University har nyligen utvecklat högpresterande transistorer baserade på tvåskiktsvolframdiselenid, en oorganisk 2D-förening med halvledande egenskaper. Dessa transistorer, introducerade i en artikel publicerad i Nature Electronics , visade sig fungera lika bra som befintliga kiseltransistorer med liknande kanallängder och drivspänningar.
När man utvärderar transistorer baserade på 2D-halvledare kan ingenjörer överväga olika parametrar, inklusive deras bärarmobilitet och kontaktresistans. Dessa två värden är dock bara uppskattningar som kan felberäknas eller misstolkas, vilket resulterar i inkonsekventa uppskattningar av en enhets prestanda.
Strömtätheten i PÅ-tillståndet, mängden elektrisk ström som flyter genom ett specifikt område medan en anordning är i drift, har visat sig vara en mycket mer tillförlitlig utvärderingsparameter. I sin studie fokuserade forskarna därför specifikt på att utveckla en transistor som hade en strömtäthet i PÅ-tillstånd som är jämförbar med den hos liknande kiselbaserade enheter.
"PÅ-läge strömtäthet (I på ) eller mättnadsströmtäthet är ett mer direkt och tillförlitligt mått för att bedöma transistorer med 2D-halvledare", säger Xidong Duan, en av forskarna som genomförde studien, till TechXplore. "Det är fortfarande en öppen fråga om 2D-transistorer kan matcha, konkurrera eller överträffa toppmoderna kiseltransistorer. Att svara på en sådan fråga är väsentligt för att väcka mer seriöst intresse från industrin."
De flesta 2D-transistorer som har utvecklats hittills uppvisar ett I på värde som är betydligt sämre än för silikonenheter med jämförbara kanallängder (L ch ) och drain-source bias (V ds ). Detta begränsar i slutändan deras potential för praktiska tillämpningar i den verkliga världen.
I sina tidigare studier syntetiserade Duan och hans kollegor ultratunn 2D-metall och in-situ-odlade 2D-metall/halvledarheteroövergångar för att bygga högkvalitativa fälteffekttransistorer. Dessutom skapade de skadefria van der Waals (vdW) elektriska kontakter som kunde användas för att karakterisera de inneboende egenskaperna hos 2D-halvledare.
"Även om 2D-metaller, såsom vdW elektriska kontakter kunde förbättra prestandan hos 2D-halvledarenheter, uppnåddes sådana utmärkta elektriska egenskaper med en relativt lång kanallängd, medan ultrakorta kanalenheter med vdW elektrisk kontakt för att utvärdera prestandan hos 2D-halvledare fortfarande innebar utmaningar " sa Duan. "Tillverkningen av enheter med ultrakorta kanaler kräver ofta aggressiva högupplösta litografi- och metalliseringsprocesser, vilket kan introducera oönskade föroreningar eller skador på de atomärt tunna 2DSC:erna och därmed allvarligt äventyra deras elektroniska prestanda."
Med utgångspunkt i sina tidigare upptäckter använde Duan och hans kollegor en naturlig sprickbildningsprocess för att skapa ett gap mellan sammanslagna VSe2 domäner odlade på WSe2 med två lager . Detta gjorde det möjligt för dem att utveckla WSe2 med ultrakort kanal transistorer med optimerade syntetiska vdW-kontakter, vilket ger en rekordhög ON -ange strömtäthet på 1,72 mA/μm och en lägsta linjär resistans på 0,50 kΩ·μm vid rumstemperatur.
"Våra resultat visar för första gången att 2D-transistorer kan leverera konkurrenskraftig strömtäthet vid en jämförbar kanallängd och drivspänning när man jämför med de traditionella Si-transistorerna," sa Duan. "Det gav ett positivt svar på den långvariga frågan inom området "om 2D-transistorer kan uppnå jämförbara eller bättre prestanda än kiseltransistorerna."
Hittills har de flesta metoder för att tillverka enheter med ultrakorta kanaler involverat användningen av aggressiva tekniker, inklusive högupplöst litografi och metalliseringsprocesser. Även om dessa tekniker kan vara effektiva, introducerar de också oönskade föroreningar eller skadar de anatomiskt tunna 2DSC:erna, vilket allvarligt kan äventyra enheternas elektroniska prestanda.
När du tillverkade sin transistor bestämde Duan och hans kollegor sig för att ta ett annat tillvägagångssätt. Mer specifikt använde de en ren vdW-kontakt och ultrakort kanal, som definierades av den termiska spänningskontrollerade nanocrack-bildningen. Detta gjorde det möjligt för dem att behålla WSe2 transistorns ursprungliga struktur och prestanda så mycket som möjligt.
"De erhållna ultrakorta kanalerna är i allmänhet ganska raka, skilda från litografiskt definierade elektroder som ofta uppvisar finit linjekantsjämnhet, vilket skapar ett bra villkor för att utforska gränsprestandan för WSe2 transistorer," förklarade Duan. "Dessutom tvålagers WSe2 material har vanligtvis mindre bandgap och bättre immunitet mot tillverkningsinducerade skador eller gränssnittsspridning, jämfört med deras monolagermotsvarighet."
I initiala utvärderingar observerade forskarna anmärkningsvärda strömtätheter på 1,0–1,7 mA μm -1 i sub-100 nm dubbellager WSe2 transistorer, som överskrider det kritiska strömtäthetsmålet för 2D-transistorer (dvs. 1,5 mA μm -1 ). Deras resultat kan därför ha värdefulla tillämpningar för området elektronikteknik, eftersom de visar att transistorer baserade på 2D-halvledare kan leverera konkurrenskraftiga strömtätheter vid kanallängder och drivspänningar som är jämförbara med de hos kiselbaserade transistorer.
"Vi tror att realiseringen av strömtätheten bortom 1,5 mA/mm har gett ett positivt svar på den långvariga frågan inom området "om 2D-transistorer kan uppnå jämförbara eller bättre prestanda än kiseltransistorerna", sa Duan. "Det kan inspirera till ytterligare ansträngningar från både den akademiska världen och industrin för att främja utvecklingen av en ny generation av 2D-halvledar- och chipteknologi efter kiselbaserad halvledare."
I framtiden kan det senaste arbetet av Duan och hans kollegor uppmuntra andra team att utveckla liknande enheter baserade på WSe2 eller andra 2D-halvledare. De enheter de utvecklat hittills är dock inte helt optimerade ännu. Till exempel tvingades teamet skapa dem med relativt tjock back-gate dielektrik (d.v.s. 70 nm SiNx ), eftersom högkvalitativa dielektrika kan vara svåra att integrera på hängande bindningsfria 2D-ytor. Dielektriken de använde har en ganska liten gate-kapacitans, vilket kan begränsa enhetens gate-kopplingseffektivitet och i vilken utsträckning grindar kan styras.
"Våra nästa studier kommer att fokusera på att utveckla högkvalitativa gatedielektrikum med minsta ekvivalenta oxidtjocklek och minsta gränssnittstillstånd för att uppnå starkare gatekontroll, högre ström (närmare de långsiktiga målen på 3,0 mA μm
−1 ), mindre undertröskelsvängning (närmare det teoretiska värdet 60 mV/dec) och lägre I av (100 pA μm
−1
), vilket gör att de övergripande nyckelprestandaparametrarna för 2D-transistorer har uppenbara fördelar jämfört med kiseltransistorer," tillade Duan. "Dessutom planerar vi att ytterligare förbättra integrationen av 2D-transistorer för att främja den kommersiella tillämpningen av 2D-transistorer genom att kombinera den stora ytan. tillväxt av 2D-halvledar-TMD och 2D-metall, avancerad litografiprocess till mönster av 2D-metallkontaktmatriser och skalbar vdW-integreringsprocess." + Utforska vidare
© 2022 Science X Network En indiumoxidbaserad transistor skapad med atomskiktsavsättning
