Слой с отрицательной емкостью повысил эффективность нанотранзисторов

Mengwei Si et al./ Nature Nanotechnology, 2017 Mengwei Si et al./ Nature Nanotechnology, 2017

Физикам удалось повысить эффективность нанотранзистора на основе двумерного дисульфида молибдена с изолированным затвором. Использование слоя смешанного оксида циркония и гафния, который обладает отрицательной емкостью (то есть заряд на нем увеличивается при понижении напряжения), помогло преодолеть фундаментальное ограничение на наклон вольт-амперной характеристики транзистора, связанное с термоионными эффектами, сообщают ученые в Nature Nanotechnology.

Транзисторы — полупроводниковые приборы, в которых сопротивление зависит от подаваемого на них напряжения — являются одним из основных элементов современных электронных устройств. Сопротивление наиболее распространенных полевых транзисторах регулируется с помощью поперечного электрического поля, и состоят они из трех функциональных элементов: стока, истока и затвора.

В полевых транзисторах, имеющих структуру с изолированным затвором («металл-оксид-полупроводник») полупроводниковый затвор отделен от истока и стока слоем диэлектрика, который выполняет роль конденсатора. Такие транзисторы обладают очень высоким входным сопротивлением и управляются напряжением. Однако эффективность такого типа транзисторов ограничена за счет термоионных эффектов и связана с фундаментальным ограничением, которое накладывается на диссипацию энергии в электронной системе распределением Больцмана. Поэтому при комнатной температуре допороговый наклон вольт-амперной характеристики (англ. subthreshold slope) в таких транзисторах — величина которая характеризует нужное для работы транзистора напряжение и, соответственно, количество потребляемой энергии — не может быть меньше 60 милливольт для увеличения тока в 10 раз.

1510177846_0.jpg

Для того, чтобы преодолеть этот естественный барьер и повысить эффективность транзистора, физики из США, Тайваня и Китая под руководством Пейде Йе (Peide D. Ye) из Университета Пердью предложили добавить к слою диэлектрика дополнительный сегнетоэлектрический слой с отрицательной емкостью. Теоретически такое решение предлагалось еще 10 лет назад, однако осуществить его на практике до сегодняшнего дня не удавалось. Реализовать эту концепцию экспериментально ученые смогли в транзисторе, в котором роль управляемого канала выполнял двумерный полупроводниковый слой дисульфида молибдена. Диэлектриком в транзисторе был слой оксида алюминия толщиной 2 нанометра, к которому добавили дополнительный слой сегнетоэлектрика из смешанного оксида циркония и гафния толщиной 20 нанометров.

Сверху изображена структура транзистора, снизу — микрофотография его поперечного среза и карта элементного состава (чем больше интенсивность, тем больше содержание того или иного элемента). Mengwei Si et al./ Nature Nanotechnology, 2017

В результате в таком устройстве действительно удалось снизить наклон вольт-амперной характеристики и добиться эффективной работы устройства как в проводящем, так и в запирающем состоянии. При этом у такого транзистора не наблюдается гистерезиса и присутствия каких-то остаточных эффектов. Величина максимального тока стока, который удалось померить в таком транзисторе, составила 510 микроампер на один микрон. При этом средний допороговый наклон вольт-амперной характеристики действительно оказался немного меньше 60 милливольт для повышения силы тока на один порядок: при повышении напряжения он оказался равен 59,6 милливольта, а для снижения наклон кривой зависел от скорости изменения напряжения и в разных случаях менялся от 5,6 до 41,7 милливольта. По утверждению авторов работы, в дальнейшем наклон может быть понижен еще.

В дальнейшем авторы работы надеются увеличить скорость переключения транзистора, чтобы сделать его пригодным для современных электронных устройств, работающих на высоких скоростях. 

Использование двумерных полупроводниковых кристаллов (в первую очередь, дисульфида молибдена), состоящих из одного или двух атомных слоев, — один из наиболее перспективных способов получения транзисторов нанометрового размера. Помимо этого, дисульфид молибдена может использоваться, например, для фильтрования воды. Для того, чтобы управлять электронными свойствами двумерного полупроводникового материала, его можно объединять с еще более низкоразмерными структурами, например, недавно для этого предложили внедрять в двумерный диселенид вольфрама одномерный провод из дисульфида молибдена.

Автор: Александр Дубов

Пожалуйста, оцените статью:
Пока нет голосов
Источник(и):

nplus1.ru