Yksittäisen 2D-kiteen muuttaminen transistoriksi

Institute for Basic Sciencen (IBS) alaisuudessa toimivan Van der Waalsin kvanttikiinteiden keskuksen johtajan JO Moon-Hon johtama tutkimusryhmä on nyt osoittanut perustavanlaatuisesti erilaisen lähestymistavan kaksiulotteisen transistorin valmistamiseksi.

Sen sijaan, että puolijohde-, dielektrinen ja kontaktimateriaalit olisi valmistettu erikseen ja sitten koottu piirirakenteeksi, tutkijat aloittivat yhdestä kerroksellisesta kiteestä ja muunsivat valitut atomikerrokset ja -alueet kemiallisesti eri materiaaleiksi, joita tarvitaan toimivan transistorin rakentamiseen.

Tutkijat aloittivat monikerroksisella volframidiselenidillä (WSe₂), joka on kaksiulotteinen puolijohde. Sen sähköisiä ominaisuuksia voidaan muuttaa korvaamalla joitakin volframikerrosta ympäröivistä atomeista. Säilyttämällä volframirungon ja korvaamalla valikoivasti nämä ympäröivät atomit tutkijat pystyivät muuttamaan yksittäisten alueiden sähköistä luonnetta rakentamatta koko kidettä uudelleen.

WSe₂:n ylemmät kerrokset hapetettiin ensin eristäväksi volframioksidiksi (WOₓ). Oksidi voitiin sitten muuntaa edelleen höyryfaasireaktioiden kautta volframidisulfidiksi (WS₂), n-tyypin puolijohteeksi, tai volframiditelluridiksi (WTe₂), puolimetalliksi. Alueet, joita ei muunnettu, säilyttivät alkuperäiset WSe₂-puolijohdeominaisuudet. Tällä tavoin puolijohtavia, eristäviä ja puolimetallisia toimintoja voitiin luoda suoraan saman emokiteen eri kerroksiin ja paikkoihin.

Johtaja JO Moon-Ho sanoi: ”Yksi kaksiulotteisen puolijohdetutkimuksen keskeisistä haasteista ei ole ollut pelkästään parempien puolijohteiden löytäminen, vaan yhtäläisesti sopivien dielektristen materiaalien ja sähköisten kontaktien varmistaminen. Tämä tutkimus yhdistää atomitason manipulointiin perustuvan perusmateriaalitieteen nykyaikaiseen puolijohdeteknologiaan vastatakseen tähän integrointihaasteeseen.”

Yksi tärkeimmistä demonstraatioista käsitteli WSe₂:n yläkerrosten muuntamista WOₓ:ksi suoraan puolijohdekanavan yläpuolella. Tuloksena oleva oksidi toimi porttieristeenä ilman erillistä korkean k-arvon materiaalia ja muodosti eristävän kerroksen, jonka efektiivinen paksuus oli alle yhden nanometrin säilyttäen samalla vahvan eristyskyvyn.

Tätä rakennetta käyttämällä tutkijat valmistivat WSe₂-transistoreita, joissa vain 61,3 millivoltin muutos hilajännitteessä kymmenkertaisti virran. Tämä on hyvin lähellä teoreettista huoneenlämpötilan rajaa, joka on noin 60 millivolttia per dekadi, mikä osoittaa erittäin tehokasta kytkentää. Laitteet saavuttivat myös yli 10 miljoonan päälle/pois-virran suhteen.

WTe₂-muunnos paransi myös sähköisiä kontakteja, pienentäen varauksen injektoimisen esteen noin kolmannekseen suorilla platinakontakteilla havaitusta. Tämä mahdollistaa varauksenkuljettajien pääsyn puolijohteeseen tehokkaammin.

Tiimi esitteli edelleen n-tyypin MoS₂-transistoreita käyttäen samaa WOₓ-eristettä ja pystysuunnassa pinottuja p-tyypin ja n-tyypin transistoreita rakentaakseen komplementaarisen van der Waals -invertterin, joka on digitaalisen logiikan perusosa. Onnistunut jännitteen invertointi osoitti, että menetelmää voidaan laajentaa yksittäisten transistoreiden ulkopuolelle kohti pitkälle integroituneita piirejä.

Ohjaaja JO Moon-Ho lisäsi: ”Muuntamalla suoraan kaksiulotteisen kiteen valitut alueet erilaisiksi elektronisiksi toiminnoiksi tämä lähestymistapa voisi tarjota uuden reitin kohti erittäin vähän virtaa kuluttavia, erittäin skaalattuja ja vertikaalisesti integroituja puolijohdepiirejä.”

Aiheesta aiemmin:

2D-materiaalista transistorieita 300 mm:n kiekolle

Transistori muokkaa 2D-materiaalin elektronisia ominaisuuksia

Kuinka pieniksi puolijohteet voivat tulla?