二次元 (2D) 半導体材料は、超薄型で調整可能な電子部品の開発に有利となる可能性がある独特の光電子特性を持っています。バルク半導体を上回る潜在的な利点にもかかわらず、これらの材料をゲート誘電体と最適に接続することはこれまでのところ困難であることが判明しており、多くの場合、トランジスタの性能を急速に低下させる界面トラップが発生します。

キング・アブドラ科学技術大学（KAUST）、東呉大学、その他世界中の研究機関の研究者らは最近、2D半導体に基づいてより優れた性能のトランジスタの製造を可能にするアプローチを導入した。彼らが提案したデザインは、概説したある紙にネイチャーエレクトロニクス、六方晶系窒化ホウ素 (h-BN) 誘電体と高い凝集エネルギーを持つ金属ゲート電極の使用が必要になります。

「当初、プラチナ (Pt) をアノードとして使用すると、h-BN スタックがトリガーされる可能性が低くなることがわかりました。誘電「この発見に基づいて実験を計画し、Pt/h-BN ゲートスタックは Au/h-BN ゲートよりも 500 倍低いリーク電流を示すことがわかりました」と論文の筆頭著者である Yaqing Shen 氏は Tech Xplore に語った。積層し、少なくとも 25 MV/cm の高い絶縁耐力を示します。これにより、CVD h-BN を 2D トランジスタのゲート誘電体として使用するというアイデアが生まれました。」

Shen 氏、Mario Lanza 教授らは、化学蒸着された h-BN を誘電体として使用して 1,000 個を超えるデバイスを製造しました。これらのデバイスを評価したところ、h-BN ゲート誘電体が Pt やタングステン (W) などの高凝集エネルギー金属と最もよく適合することがわかりました。

「縦型 Pt/h-BN/MoS でトランジスタを製造するには₂構造では、SiO を洗浄することから始めました。₂/Si 基板は、アセトン、アルコール、脱イオン水の超音波浴を使用して作成されました。」と Shen 氏は説明しました。「ソース電極とドレイン電極 (Ti/Au) は、この基板上に電子ビームリソグラフィー電子ビーム蒸着によって蒸着されます。続いてMoS₂を天然結晶から剥離し、これらの電極上に転写してチャネルを形成しました。CVD h-BN フィルムは湿式転写によってこの構造上に転写されました。」

トランジスタ製造プロセスの最後のステップとして、研究者らは Pt ゲートをパターン化しました。電極電子ビームリソグラフィーを使用し、電子ビーム蒸着として知られる技術を使用して蒸着しました。MoS 間のクリーンなファンデルワールス界面₂チームのトランジスタに含まれる h-BN は信頼性と性能を向上させ、欠陥を最小限に抑え、ゲート制御を強化します。

「CVD h-BN はゲート誘電体としては不十分であるという考えに反して、適切な金属電極を選択することで、h-BN を効果的に使用できることがわかりました。電界効果トランジスタMoSあり₂チャネルです」とシェン氏は言いました。₂と h-BN はクリーンなファンデルワールス界面を形成し、信頼性が向上します。私たちの研究結果は、Pt や W などの凝集エネルギーの高い金属を使用すると、CVD h-BN が 2D トランジスタの効果的なゲート誘電体になることを示しています。」

2D 半導体ベースのトランジスタを製造するこの研究チームのアプローチは、これまでのところ、電流の漏れを低減し、少なくとも 25 MV cm の高い絶縁耐力を可能にする非常に有望であることがわかっています。^-1。初期テストでは、Pt および W ベースのゲート電極が、金 (Au) 電極を備えた同様のトランジスタと比較して、h-BN 誘電体間の漏れ電流を約 500 分の 1 に低減することが明らかになりました。

Shen 氏とその同僚による最近の研究により、信頼性の高い固体マイクロ電子回路およびデバイスの製造に 2D 材料の使用が促進される可能性があります。他の研究グループも近いうちに同様のアプローチや材料を研究する可能性があり、それがさらに高性能な 2D 半導体ベースのデバイスの開発につながる可能性があります。

「私たちの研究の次のステップとして、ムーアの法則の拡張に役立つ超小型（ナノスケール）の完全2Dトランジスタを開発する予定です」とShen氏は付け加えた。「また、2D チャネルと電極の間の接触の問題を解決して、デバイスのパフォーマンスを向上させることも目指しています。」

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