Viritettäviä porttielektrodeja transistoreille MOF-materiaaleista

Porttielektrodi on oleellinen osa transistoria sen tuottaessa transistorirakenteen kytkennät.

Korea Advanced Institute of Science and Technologyn (KAIST) johtama tutkimusryhmä on nyt rakentanut toimivia puolijohteisia elektrodeja uudesta materiaalista, joka yhdistää metalleja ja orgaanisia molekyylejä. Tutkimus tarjoaa pohjan elektrodien suunnittelulle erilaisten puolijohdepiirien vaatimusten täyttämiseksi. Sen odotetaan myös tukevan pienen tehonkäytön ja alhaisemmilla jännitteillä toimivien puolijohteiden kehittämistä.

Professori Sarah S. Parkin johtama kansallinen tutkimusryhmä on prosessoinut sähköä johtavia metalli-orgaanisia runkoja (MOF) ohuiksi, tarkasti kuvioiduiksi kalvoiksi ja käyttänyt niitä porttielektrodeina kenttävaikutustransistoreissa (FET).

Porttielektrodit valmistetaan tällä hetkellä pääasiassa metalleista, jotka johtavat sähköä hyvin. Jokaisella metallilla on kuitenkin kiinteät elektroniset ominaisuudet. Tämä vaikeuttaa elektrodin sovittamista jonkin tietyn puolijohderakenteen vaatimuksiin.

Johtavat MOF-materiaalit ovat materiaaleja, joissa metalli-ionit ja orgaaniset molekyylit ovat koostuneet säännölliseen rakenteeseen. Mutta metallien ja orgaanisten molekyylien yhdistelmän muuttaminen muuttaa materiaalin elektronisia ominaisuuksia.

MOF-materiaalin koostumuksen vaihtelu voisi siksi auttaa tutkijoita suunnittelemaan elektrodeja, jotka asettavat jännitteen, jolla puolijohde kytkeytyy päälle. Tässä tutkimuksessa käytetyn Cu₃(C₆O₆)₂-kalvon työfunktio on 4,51 eV. Tämä arvo on tyypillisten n- ja p-tyypin puolijohteiden arvojen välissä, joten sama kalvo voi ohjata molempia kanavia.

Tutkimusryhmä kiinnitti kehittämänsä elektrodit kolmeen eri puolijohteeseen: n-tyyppiseen molybdeenidisulfidiin (MoS₂), p-tyyppiseen molybdeeniditelluridiin (MoTe₂) ja oksidipuolijohteeseen indiumgalliumsinkoksidiin (IGZO). Elektrodit kytkivät virran päälle ja pois kaikissa kolmessa.

MoS₂-piirissä tiimi valmisti MOF-portin ja perinteisen platinasta (Pt) valmistetun portin samalle kanavalle, mikä mahdollisti suoran rinnakkaisen vertailun. Kahdella portilla oli samanlaiset kynnysjännitteet ja ne osoittivat myös samanlaista kenttävaikutuksen liikkuvuutta. Nämä tulokset vahvistivat, että uudesta materiaalista valmistettu elektrodi voi hallita virtaa yhtä tehokkaasti kuin perinteinen metallielektrodi.

Tiimi testasi myös, voidaanko elektrodeja valmistaa mittakaavassa. He asettivat 23 IGZO-transistoria yhdelle substraatille ja muodostivat niiden kaikkien porttielektrodit yhdessä kuviointivaiheessa. Kaikki 23 transistoria toimivat oikein.

Tutkimus osoittaa, että metalleja ja orgaanisia molekyylejä yhdistävä materiaali voi toimia elektrodina, joka kytkee virran päälle ja pois todellisissa puolijohdepiireissä. Jos materiaalin koostumusta säädetään siten, että piirit toimivat alhaisemmilla jännitteillä, tämä lähestymistapa voisi auttaa vähentämään virrankulutusta.

Aiheesta aiemmin:

Metallin tavoin johtavia MOFeja

Uusi eristetekniikka pienemmille siruille

Transistoreita molekyylien ja puolijohteiden yhdistelmästä