Caractéristiques électriques des transistors bicouche WSe2 sub-100 nm. a, Illustration schématique du flux de processus pour former des transistors WSe2 bicouches de longueur de canal inférieure à 100 nm avec des contacts synthétiques VSe2 vdW grâce à la formation de fissures contrôlées. b, Image en microscopie optique d'une paire de domaines VSe2 hexagonaux sur le WSe2 avec un nanogap apparent. Barres d'échelle :5 μm. c, d, images SEM des transistors bicouche WSe2 avec des longueurs de canal de 76 nm et 20 nm. Barres d'échelle :100 nm. d, g, Caractéristiques de sortie des transistors WSe2 76 nm et 20 nm à différentes tensions de grille arrière avec un pas de 5 V. e, h, Courbes de transfert des transistors WSe2 bicouche 76 nm et 20 nm à différentes tensions de polarisation. Crédit :Wu et al.
Les semi-conducteurs 2D pourraient présenter des avantages notables par rapport aux semi-conducteurs massifs conventionnels, tels que le silicium. Notamment, leur plus grande résistance aux effets de canal court pourrait les rendre particulièrement prometteurs pour le développement de transistors très performants, composants cruciaux de tout dispositif électronique.
Des chercheurs de l'Université du Hunan ont récemment développé des transistors hautement performants à base de diséléniure de tungstène bicouche, un composé 2D inorganique aux propriétés semi-conductrices. Ces transistors, présentés dans un article publié dans Nature Electronics , s'est avéré aussi performant que les transistors au silicium existants avec des longueurs de canal et des tensions de commande similaires.
Lors de l'évaluation de transistors basés sur des semi-conducteurs 2D, les ingénieurs peuvent prendre en compte différents paramètres, notamment la mobilité des porteurs et la résistance de contact. Ces deux valeurs, cependant, ne sont que de simples estimations qui peuvent être mal calculées ou mal interprétées, ce qui entraîne des estimations incohérentes des performances d'un appareil.
La densité de courant à l'état ON, la quantité de courant électrique circulant dans une zone spécifique pendant le fonctionnement d'un appareil, s'est avérée être un paramètre d'évaluation beaucoup plus fiable. Dans leur étude, les chercheurs se sont donc spécifiquement concentrés sur le développement d'un transistor ayant une densité de courant à l'état passant comparable à celle de dispositifs similaires à base de silicium.
"Densité de courant à l'état passant (I sur ) ou la densité de courant de saturation est une mesure plus directe et fiable pour évaluer les transistors avec des semi-conducteurs 2D », a déclaré Xidong Duan, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, à TechXplore. « La question reste ouverte de savoir si les transistors 2D peuvent correspondre, rivaliser ou surpasser les transistors au silicium de pointe. Répondre à une telle question est essentiel pour susciter un intérêt plus sérieux de la part de la communauté de l'industrie."
La plupart des transistors 2D développés à ce jour présentent un I sur valeur nettement inférieure à celles des dispositifs au silicium avec des longueurs de canal comparables (L ch ) et le biais drain-source (V ds ). Cela limite finalement leur potentiel pour des applications pratiques dans le monde réel.
Dans leurs études précédentes, Duan et ses collègues ont synthétisé des métal 2D ultra-minces et des hétérojonctions métal/semi-conducteur 2D développées in situ pour construire des transistors à effet de champ de haute qualité. De plus, ils ont créé des contacts électriques van der Waals (vdW) sans dommage qui pourraient être utilisés pour caractériser les propriétés intrinsèques des semi-conducteurs 2D.
"Bien que les métaux 2D, tels que les contacts électriques vdW, puissent améliorer les performances des dispositifs à semi-conducteurs 2D, de telles excellentes propriétés électriques ont été obtenues avec une longueur de canal relativement longue, tandis que les dispositifs à canal ultracourt avec contact électrique vdW pour évaluer les performances des semi-conducteurs 2D présentaient encore des défis. ", a déclaré Duan. "La fabrication de dispositifs à canaux ultracourts nécessite souvent des processus agressifs de lithographie et de métallisation à haute résolution, qui pourraient introduire des contaminations ou des dommages indésirables sur les 2DSC atomiquement minces, et ainsi compromettre sérieusement leurs performances électroniques."
S'appuyant sur leurs découvertes précédentes, Duan et ses collègues ont utilisé un processus naturel de formation de fissures pour créer un espace entre le VSe fusionné2 domaines développés sur bicouche WSe2 . Cela leur a permis de développer la bicouche à canal ultracourt WSe2 transistors avec contacts vdW synthétiques optimisés, atteignant un ON record -densité de courant d'état de 1,72 mA/μm et une résistance linéaire minimale de 0,50 kΩ·μm à température ambiante.
"Nos résultats démontrent pour la première fois que les transistors 2D peuvent fournir une densité de courant compétitive à une longueur de canal et une tension de commande comparables par rapport aux transistors Si traditionnels", a déclaré Duan. "Cela a donné une réponse positive à la question de longue date dans le domaine de savoir si les transistors 2D peuvent atteindre des performances comparables ou meilleures que les transistors au silicium."
Jusqu'à présent, la plupart des approches de fabrication de dispositifs à canaux ultracourts impliquaient l'utilisation de techniques agressives, notamment des procédés de lithographie et de métallisation à haute résolution. Bien que ces techniques puissent être efficaces, elles introduisent également des contaminations indésirables ou endommagent les 2DSC anatomiquement minces, ce qui peut sérieusement compromettre les performances électroniques des appareils.
Lors de la fabrication de leur transistor, Duan et ses collègues ont donc décidé d'adopter une approche différente. Plus précisément, ils ont utilisé un contact vdW propre et un canal ultracourt, défini par la formation de nanofissures contrôlées par la contrainte thermique. Cela leur a permis de conserver le WSe2 autant que possible la structure et les performances d'origine du transistor.
"Les canaux ultracourts obtenus sont généralement plutôt droits, distincts des électrodes définies par lithographie qui présentent souvent une rugosité de bord de ligne finie, ce qui crée une bonne condition pour explorer les performances limites de WSe2 transistors », a expliqué Duan. « De plus, la bicouche WSe2 les matériaux ont généralement des bandes interdites plus petites et une meilleure immunité aux dommages induits par la fabrication ou à la diffusion interfaciale, par rapport à leur homologue monocouche."
Lors des premières évaluations, les chercheurs ont observé des densités de courant à l'état passant remarquables de 1,0 à 1,7 mA μm -1 en sous-100 nm bicouche WSe2 transistors, dépassant l'objectif de densité de courant critique pour les transistors 2D (c'est-à-dire 1,5 mA μm -1 ). Leurs découvertes pourraient donc avoir de précieuses applications dans le domaine de l'ingénierie électronique, car elles montrent que les transistors basés sur des semi-conducteurs 2D peuvent fournir des densités de courant compétitives à des longueurs de canal et des tensions de commande comparables à celles des transistors à base de silicium.
« Nous pensons que la réalisation de la densité de courant au-delà de 1,5 mA/mm a apporté une réponse positive à la question de longue date dans le domaine de savoir si les transistors 2D peuvent atteindre des performances comparables ou meilleures que les transistors au silicium », a déclaré Duan. "Cela pourrait inspirer des efforts supplémentaires de la part de la communauté universitaire et de l'industrie pour promouvoir le développement d'une nouvelle génération de semi-conducteurs et de puces 2D après les semi-conducteurs à base de silicium."
À l'avenir, les travaux récents de Duan et de ses collègues pourraient encourager d'autres équipes à développer des dispositifs similaires basés sur WSe2 ou d'autres semi-conducteurs 2D. Cependant, les appareils qu'ils ont développés jusqu'à présent ne sont pas encore totalement optimisés. Par exemple, l'équipe a été obligée de les créer en utilisant des diélectriques de grille arrière relativement épais (c'est-à-dire, 70 nm SiNx ), car les diélectriques de haute qualité peuvent être difficiles à intégrer sur des surfaces 2D sans liaison pendante. Les diélectriques qu'ils ont utilisés ont une capacité de grille plutôt faible, ce qui peut limiter l'efficacité du couplage de grille de l'appareil et la mesure dans laquelle les grilles peuvent être contrôlées.
"Nos prochaines études se concentreront sur le développement de diélectriques de grille de haute qualité avec une épaisseur d'oxyde équivalente minimale et un état d'interface minimal pour obtenir un contrôle de grille plus fort, un courant plus élevé (plus proche des objectifs à long terme de 3,0 mA μm −1 ), oscillation sous-seuil plus petite (plus proche de la valeur théorique 60 mV/déc) et I inférieur désactivé (100 pA μm −1 ), faisant en sorte que les paramètres de performance clés globaux des transistors 2D présentent des avantages évidents par rapport aux transistors au silicium », a ajouté Duan. « En outre, nous prévoyons d'améliorer encore l'intégration des transistors 2D afin de promouvoir l'application commerciale des transistors 2D en combinant la grande surface croissance du semi-conducteur 2D TMD et du métal 2D, processus de lithographie avancé pour modeler les matrices de contacts métalliques 2D et processus d'intégration vdW évolutif." + Explorer davantage
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