Aliarvioitu faasi sopiikin logiikkapuolijohteeksi

Aivan kuten eri tavoin järjestyneet hiiliatomit voivat muodostaa joko grafiittia tai timanttia myös puolijohdemateriaaleilla voi olla täysin erilaisia ominaisuuksia atomien järjestyksestä riippuen.

Nyt aiemmin huomiotta jätetty indiumselenidin (In2Se3) kiderakenne on herätetty eloon lupaavana materiaalina seuraavan sukupolven logiikkaelektroniikalle.

POSTECHin kemiantekniikan laitoksen professori Yong-Young Nohin johtama tutkimusryhmä korealaisine kollegoineen on onnistuneesti toteuttanut kiekkomittakaavan logiikkatransistoreja, jotka perustuvat harvoin tutkittuun κ-faasin In2Se3:een.

In2Se3:a on pitkään pidetty lupaavana seuraavan sukupolven puolijohdemateriaalina sen atomitason ohuen rakenteen ja erinomaisten varauksenkuljetusominaisuuksien ansiosta. Aiemmin tutkituilla kidefaaseilla on kuitenkin havaittu rajoituksia. Niiden kyky säilyttää aiempi sähköinen tila jännitteen poistamisen jälkeen – joka tunnetaan nimellä "muistivaikutus" – on hyödyllinen muistisovelluksissa, mutta voi aiheuttaa epävakautta logiikkapiireissä, jotka vaativat identtisiä lähtöjä identtisistä tuloista.

Tutkimusryhmä kiinnitti huomionsa aiemmin aliarvioituun κ-faasiin In2Se3. Toisin kuin perinteisissä In2Se3-faaseissa, κ-faasin ainutlaatuinen atomien järjestely estää ferroelektrisiä muistivaikutuksia, mikä tekee siitä sopivamman vakaaseen logiikkatoimintaan.

Käyttämällä teollisesti yhteensopivaa lämpöhaihdutusprosessia ja sitä seuraavaa matalan lämpötilan hehkutuskäsittelyä 250 °C:ssa tutkijat valmistivat onnistuneesti noin 10 nm paksuisia κ-In2Se3-kalvoja tasaisesti koko 4 tuuman kiekolle. Matala käsittelylämpötila, alle 450 °C, täyttää myös kolmiulotteisen puolijohdeintegraation lämpötilavaatimukset, jolloin olemassa olevien piipiirien päälle voidaan rakentaa lisää elektronisia kerroksia vahingoittamatta niitä.

Valmistetut piirit osoittivat erinomaista sähköistä suorituskykyä ja tasaisuutta. Kiekolle sijoitetut 576 transistoria (24 × 24 -matriisi) osoittivat erittäin yhdenmukaisia ominaisuuksia sijainnistaan riippumatta. Piirit saavuttivat keskimäärin 39,3 cm²V−1s−1 elektronien liikkuvuuden ja yli 1000:n päälle/pois-virtasuhteen, mikä edustaa korkeaa suorituskykyä laaja-alaisten ohutkalvoisten kaksiulotteisten puolijohdelaitteiden joukossa.

Lisäksi transistorit säilyttivät vakaan toimintansa 10 miljoonan toistetun kytkentäsyklin aikana käyttäen erittäin lyhyitä 100 ns:n sähköpulsseja, mikä osoittaa sekä nopean kytkentäkyvyn että logiikkasovelluksissa vaadittavan pitkän aikavälin toimintavarmuuden.

Osoittaakseen edelleen potentiaalinsa logiikkapuolijohteena, tutkimusryhmä integroi κ-In2Se3:n p-tyypin seleeniseosteiseen telluurioksidiin (Se-TeOx), jolla on komplementaariset varauksensiirto-ominaisuudet. Yhdistämällä n-tyypin κ-In2Se3- ja p-tyypin Se-TeOx-komponentteja tutkijat toteuttivat onnistuneesti komplementaarisen invertteripiirin, joka on modernin logiikkaelektroniikan peruspilari. Tämä tulos osoittaa suoraan, että κ-In2Se3 voi toimia paitsi muistiin liittyvänä materiaalina myös vakaana alustana logiikkapuolijohdesovelluksille.

Aiheesta aiemmin:

Keinotekoiset varauksien domeeniseinät 2D-ferrosähköisissä

Indiumselenidin kiekkoja teollisuudelle

Muistipiirejä ilman kerrosrakennetta