От листов до стопок: новые наноструктуры

Mar 01, 2024

Новые TFET, реализованные с использованием многослойных плоскостных переходов дихалькогенидов переходных металлов.

Токийский столичный университет

изображение: Химическое осаждение из паровой фазы можно использовать для выращивания многослойной структуры TMDC из другого TMDC.посмотреть больше

Фото: Токийский столичный университет.

Токио, Япония – Ученые из Токийского столичного университета успешно разработали многослойные наноструктуры дихалькогенидов переходных металлов, которые встречаются в плоскости, образуя соединения. Они вырастили слои многослойных структур дисульфида молибдена из краев легированных ниобием осколков дисульфида молибдена, создав толстую, связанную, плоскую гетероструктуру. Они продемонстрировали, что их можно использовать для создания новых туннельных полевых транзисторов (TFET), компонентов интегральных схем со сверхнизким энергопотреблением.

Полевые транзисторы (FET) являются важнейшим строительным блоком практически каждой цифровой схемы. Они контролируют прохождение через него тока в зависимости от приложенного напряжения. Хотя металлооксидно-полупроводниковые полевые транзисторы (или МОП-транзисторы) составляют большинство используемых сегодня полевых транзисторов, ведется поиск материалов следующего поколения для управления все более требовательными и компактными устройствами, потребляющими меньше энергии. Именно здесь на помощь приходят туннельные полевые транзисторы (или TFET). TFET основаны на квантовом туннелировании — эффекте, при котором электроны могут проходить обычно непроходимые барьеры из-за квантово-механических эффектов. Хотя TFET потребляют гораздо меньше энергии и уже давно предлагаются в качестве многообещающей альтернативы традиционным полевым транзисторам, ученым еще предстоит придумать способ реализации этой технологии в масштабируемой форме.

Команда ученых Токийского столичного университета под руководством доцента Ясумицу Мията работает над созданием наноструктур из дихалькогенидов переходных металлов — смеси переходных металлов и элементов 16 группы. Дихалькогениды переходных металлов (TMDC, два атома халькогена на один атом металла) являются отличными кандидатами для создания TFET. Их недавние успехи позволили им сшить вместе слои кристаллических листов TMDC толщиной в один атом на беспрецедентной длине. Теперь они обратили свое внимание на многоуровневые структуры TMDC. Используя метод химического осаждения из паровой фазы (CVD), они показали, что могут вырастить разные TMDC на краях сложенных друг на друга кристаллических плоскостей, установленных на подложке. В результате получился плоскостной переход толщиной в несколько слоев. В большинстве существующих работ по переходам TMDC используются монослои, наложенные друг на друга; это связано с тем, что, несмотря на превосходные теоретические характеристики плоскостных переходов, предыдущие попытки не смогли реализовать высокие концентрации дырок и электронов, необходимые для работы TFET.

Продемонстрировав надежность своей технологии с использованием дисульфида молибдена, выращенного из диселенида вольфрама, они обратили свое внимание на дисульфид молибдена, легированный ниобием, полупроводник p-типа. Вырастив многослойные структуры из нелегированного дисульфида молибдена, полупроводника n-типа, команда реализовала толстый pn-переход между TMDC с беспрецедентно высокой концентрацией носителей заряда. Кроме того, они обнаружили, что переход демонстрирует тенденцию к отрицательному дифференциальному сопротивлению (NDR), при котором увеличение напряжения приводит к все меньшему и меньшему увеличению тока, что является ключевой особенностью туннелирования и важным первым шагом для этих наноматериалов на пути к созданию TFET.

Метод, используемый командой, также масштабируется на большие площади, что делает его пригодным для реализации во время изготовления схем. Это захватывающая новая разработка в области современной электроники, и мы надеемся, что в будущем она найдет применение в приложениях.

Эта работа была поддержана грантами JSPS KAKENHI, номера грантов JP20H02605, JP21H05232, JP21H05233, JP21H05234, JP21H05237, JP22H00280, JP22H04957, JP22H05469, JP22J14738. , JP21K14484, JP20K22323, JP20H00316, JP20H02080, JP20K05253, JP20H05664, JP18H01822, JP21K04826, JP22H05445 и JP21K14498, номер гранта CREST JPMJCR16F3 и номер гранта FOREST Японского агентства науки и технологий JPMJFR213X.