二維（2D）半導體材料具有獨特的光電特性，有利於超薄和可調諧電子元件的開發。儘管它們比塊狀半導體具有潛在的優勢，但到目前為止，將這些材料與閘極電介質進行最佳連接已證明具有挑戰性，通常會導致界面陷阱，從而迅速降低電晶體的性能。

阿卜杜拉國王科技大學 (KAUST)、蘇州大學和世界各地其他機構的研究人員最近推出了一種方法，可以基於二維半導體製造性能更好的電晶體。他們提出的設計，概述在一篇論文中自然電子學，需要使用具有高內聚能的六方氮化硼（h-BN）電介質和金屬柵電極。

「最初，我們發現當我們使用鉑 (Pt) 作為陽極時，h-BN 堆疊不太可能觸發電介質論文的第一作者 Yaqing Shen 告訴 Tech Xplore。表現出至少25 MV/cm 的高介電強度。這給了我們使用 CVD h-BN 作為 2D 電晶體柵極電介質的想法。

Shen、Mario Lanza 教授及其同事使用化學氣相沉積 h-BN 作為電介質製造了 1,000 多個裝置。當他們評估這些裝置時，他們發現 h-BN 閘極電介質與高內聚能金屬（例如 Pt 和鎢 (W)）最相容。

「製造具有垂直 Pt/h-BN/MoS2 的電晶體₂結構，我們先清潔 SiO2₂Shen 解釋說：「使用丙酮、酒精和去離子水中的超音波浴來製作 /Si 基板。使用電子束光刻並透過電子束沉積進行沉積。隨後，MoS₂從天然晶體上剝離並轉移到這些電極以形成通道。CVD h-BN 薄膜透過濕式轉移轉移到該結構上。

作為電晶體製造過程的最後一步，研究人員對 Pt 閘極進行了圖案化電極使用電子束微影，然後使用稱為電子束蒸發的技術進行沉積。MoS2 之間乾淨的范德華介面₂此團隊電晶體中的 h-BN 提高了其可靠性和性能，最大限度地減少缺陷並增強閘極控制。

「我們發現，與 CVD h-BN 是一種較差閘極電介質的觀點相反，選擇正確的金屬電極可以使其在場效電晶體與二硫化鉬₂渠道，”沉說。“MoS₂和h-BN形成乾淨的范德華介面，從而提高了可靠性。我們的研究結果表明，使用 Pt 和 W 等高內聚能金屬使得 CVD h-BN 成為 2D 電晶體中的有效閘極電介質。

迄今為止，該研究團隊製造基於 2D 半導體的晶體管的方法已被證明非常有前途，可以減少電流洩漏並實現至少 25 MV cm 的高介電強度^-1。初步測試表明，與具有金 (Au) 電極的類似電晶體相比，基於 Pt 和 W 的柵極電極可將 h-BN 電介質上的漏電流降低約 500 倍。

Shen 和她的同事最近的工作可以促進使用二維材料來製造可靠的固態微電子電路和設備。其他研究小組可能很快就會探索類似的方法和材料，這可能會導致進一步高性能基於二維半導體的設備的開發。

「作為我們研究的下一步，我們計劃開發超小型（奈米級）、全二維晶體管，以幫助擴展摩爾定律，」沈補充道。“我們也致力於解決二維通道和電極之間的接觸問題，以提高裝置性能。”

© 2024 Science X 網絡