Características eléctricas de los transistores WSe2 bicapa sub-100 nm. a, Ilustración esquemática del flujo del proceso para formar transistores WSe2 bicapa de longitud de canal inferior a 100 nm con contactos sintéticos VSe2 vdW a través de la formación controlada de grietas. b, Imagen de microscopía óptica de un par de dominios VSe2 hexagonales en WSe2 con un aparente nanogap. Barras de escala:5 μm. c, d, imágenes SEM de los transistores bicapa WSe2 con longitudes de canal de 76 nm y 20 nm. Barras de escala:100 nm. d, g, Características de salida de los transistores WSe2 de 76 nm y 20 nm a varios voltajes de puerta trasera con un paso de 5 V. e, h, Curvas de transferencia de los transistores WSe2 bicapa de 76 nm y 20 nm a varios voltajes de polarización. Crédito:Wu et al.
Los semiconductores 2D podrían tener ventajas notables sobre los semiconductores a granel convencionales, como el silicio. En particular, su mayor resistencia a los efectos de canal corto podría hacerlos particularmente prometedores para el desarrollo de transistores de alto rendimiento, que son componentes cruciales de todos los dispositivos electrónicos.
Investigadores de la Universidad de Hunan han desarrollado recientemente transistores de alto rendimiento basados en diseleniuro de tungsteno bicapa, un compuesto 2D inorgánico con propiedades semiconductoras. Estos transistores, presentados en un artículo publicado en Nature Electronics , funcionó tan bien como los transistores de silicio existentes con longitudes de canal y voltajes de conducción similares.
Al evaluar transistores basados en semiconductores 2D, los ingenieros pueden considerar diferentes parámetros, incluida la movilidad del portador y la resistencia de contacto. Estos dos valores, sin embargo, son meras estimaciones que se pueden calcular o malinterpretar, lo que da como resultado estimaciones inconsistentes del rendimiento de un dispositivo.
Se ha descubierto que la densidad de corriente en estado ON, la cantidad de corriente eléctrica que fluye a través de un área específica mientras un dispositivo está funcionando, es un parámetro de evaluación mucho más confiable. En su estudio, los investigadores se centraron específicamente en desarrollar un transistor que tuviera una densidad de corriente en estado ON comparable a la de dispositivos similares basados en silicio.
"Densidad de corriente en estado ON (I en ) o la densidad de corriente de saturación es una medida más directa y confiable para evaluar transistores con semiconductores 2D", dijo a TechXplore Xidong Duan, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio. "Sigue siendo una pregunta abierta si los transistores 2D pueden coincidir, competir o superar los transistores de silicio de última generación. Responder a esta pregunta es esencial para inspirar un interés más serio en la comunidad de la industria".
La mayoría de los transistores 2D desarrollados hasta la fecha muestran un I en valor significativamente inferior al de los dispositivos de silicio con longitudes de canal comparables (L ch ) y sesgo de fuente de drenaje (V ds ). En última instancia, esto limita su potencial para aplicaciones prácticas en el mundo real.
En sus estudios anteriores, Duan y sus colegas sintetizaron metal 2D ultradelgado y heterouniones de metal/semiconductor 2D cultivadas in situ para construir transistores de efecto de campo de alta calidad. Además, crearon contactos eléctricos de van der Waals (vdW) libres de daños que podrían usarse para caracterizar las propiedades intrínsecas de los semiconductores 2D.
"Aunque los metales 2D, como los contactos eléctricos vdW, podrían mejorar el rendimiento de los dispositivos semiconductores 2D, estas excelentes propiedades eléctricas se lograron con una longitud de canal relativamente larga, mientras que los dispositivos de canal ultracorto con contacto eléctrico vdW para evaluar el rendimiento de los semiconductores 2D aún presentaban desafíos. ", dijo Duan. "La fabricación de dispositivos de canal ultracorto a menudo requiere procesos de metalización y litografía de alta resolución agresivos, lo que podría introducir contaminaciones o daños no deseados en los 2DSC atómicamente delgados y, por lo tanto, comprometer seriamente su rendimiento electrónico".
Sobre la base de sus hallazgos anteriores, Duan y sus colegas utilizaron un proceso natural de formación de grietas para crear una brecha entre VSe2 fusionado dominios desarrollados en bicapa WSe2 . Esto les permitió desarrollar una bicapa de canal ultracorto WSe2 transistores con contactos vdW sintéticos optimizados, logrando un ON récord -densidad de corriente estatal de 1,72 mA/μm y una resistencia lineal mínima de 0,50 kΩ·μm a temperatura ambiente.
"Nuestros resultados demuestran por primera vez que los transistores 2D pueden ofrecer una densidad de corriente competitiva en una longitud de canal y un voltaje de conducción comparables en comparación con los transistores de Si tradicionales", dijo Duan. "Dio una respuesta positiva a la pregunta de larga data en el campo de "si los transistores 2D pueden lograr un rendimiento comparable o mejor que los transistores de silicio".
Hasta ahora, la mayoría de los enfoques para fabricar dispositivos con canales ultracortos implicaban el uso de técnicas agresivas, incluidos procesos de metalización y litografía de alta resolución. Si bien estas técnicas pueden ser efectivas, también introducen contaminaciones no deseadas o dañan los 2DSC anatómicamente delgados, lo que puede comprometer seriamente el rendimiento electrónico de los dispositivos.
Al fabricar su transistor, Duan y sus colegas decidieron adoptar un enfoque diferente. Más específicamente, utilizaron un contacto vdW limpio y un canal ultracorto, que se definió por la formación de nanofisuras controladas por tensión térmica. Esto les permitió retener el WSe2 la estructura y el rendimiento originales del transistor tanto como sea posible.
"Los canales ultracortos obtenidos son generalmente bastante rectos, distintos de los electrodos definidos litográficamente que a menudo exhiben una rugosidad de borde de línea finita, lo que crea una buena condición para explorar el rendimiento límite de WSe2 transistores", explicó Duan. "Además, bicapa WSe2 los materiales suelen tener espacios de banda más pequeños y una mejor inmunidad a los daños inducidos por la fabricación o la dispersión interfacial, en comparación con su contraparte monocapa".
En las evaluaciones iniciales, los investigadores observaron notables densidades de corriente en estado activo de 1,0 a 1,7 mA μm -1 en sub-100 nm bicapa WSe2 transistores, superando el objetivo crítico de densidad de corriente para transistores 2D (es decir, 1,5 mA μm -1 ). Por lo tanto, sus hallazgos podrían tener aplicaciones valiosas para el campo de la ingeniería electrónica, ya que muestran que los transistores basados en semiconductores 2D pueden ofrecer densidades de corriente competitivas en longitudes de canal y voltajes de conducción comparables a los de los transistores basados en silicio.
"Creemos que la realización de la densidad de corriente más allá de 1,5 mA/mm ha dado una respuesta positiva a la pregunta de larga data en el campo de 'si los transistores 2D pueden lograr un rendimiento comparable o mejor que los transistores de silicio'", dijo Duan. "Podría inspirar esfuerzos adicionales tanto de la comunidad académica como de la industria para promover el desarrollo de una nueva generación de tecnología de chips y semiconductores 2D después de los semiconductores basados en silicio".
En el futuro, el trabajo reciente de Duan y sus colegas podría animar a otros equipos a desarrollar dispositivos similares basados en WSe2. u otros semiconductores 2D. Sin embargo, los dispositivos que desarrollaron hasta ahora aún no están completamente optimizados. Por ejemplo, el equipo se vio obligado a crearlos utilizando dieléctricos de puerta trasera relativamente gruesos (es decir, 70 nm SiNx ), ya que los dieléctricos de alta calidad pueden ser difíciles de integrar en superficies 2D sin enlaces colgantes. Los dieléctricos que utilizaron tienen una capacitancia de compuerta bastante pequeña, lo que puede limitar la eficiencia de acoplamiento de compuerta del dispositivo y la medida en que se pueden controlar las compuertas.
"Nuestros próximos estudios se centrarán en el desarrollo de dieléctricos de compuerta de alta calidad con un espesor de óxido equivalente mínimo y un estado de interfaz mínimo para lograr un control de compuerta más fuerte, una corriente más alta (más cerca de los objetivos a largo plazo de 3,0 mA μm −1 ), menor oscilación del subumbral (más cercano al valor teórico 60 mV/dec) y menor I desactivado (100 pA μm −1 ), lo que hace que los parámetros de rendimiento clave generales de los transistores 2D tengan ventajas obvias sobre los transistores de silicio", agregó Duan. "Además, planeamos mejorar aún más la integración de los transistores 2D para promover la aplicación comercial de los transistores 2D combinando el crecimiento de TMD de semiconductores 2D y metal 2D, proceso de litografía avanzado para patrones de matrices de contacto de metal 2D y proceso de integración de vdW escalable". + Explore más
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