5 دسامبر 2024 -توسط Ingrid Fadelli، اعتبار: یی و همکاران
ترانزیستورهای مبتنی بر نیمه هادی های دو بعدی (2 بعدی)، مانند دی سولفید مولیبدن (MoS2) و تنگستن دیزلنید (WSe2)، می توانند عملکرد بهتری نسبت به ترانزیستورهای مبتنی بر سیلیکون معمولی داشته باشند و در عین حال کاهش اندازه آنها نیز آسان تر است. برای عملکرد خوب، این ترانزیستورها باید بر اساس مواد دی الکتریک با کیفیت بالا ساخته شوند، که می تواند دشوار باشد.
محققان دانشگاه فناوری نانیانگ، دانشگاه هوانوردی و فضانوردی نانجینگ اخیراً استراتژی امیدوارکننده جدیدی را برای آماده سازی مواد دی الکتریک برای این ترانزیستورها معرفی کرده اند. رویکرد آنها، که در مقاله منتشر شده در Nature Electronics مشخص شده است، با موفقیت برای رسوب یک اکسید طبیعی بسیار نازک و یکنواخت گالیوم Ga2O3 بر روی سطح MoS2 استفاده شد.
کونگ یانگ یی، ابتدا، “روش های سنتی تهیه لایه دی الکتریک، مانند رسوب لایه اتمی (ALD)، به دلیل کیفیت بالای سطح نیمه هادی های دو بعدی بدون نقاط هسته زایی کافی، به ویژه در ضخامت های نازک تا چند نانومتر، با مشکلات کیفی مواجه می شوند.”
در سال 2017، یک مقاله پیشگام روشی را برای تهیه اکسید فوق نازک و یکنواخت از فلز مایع گزارش کرد. پس از خواندن آن، به این فکر کردم که آیا این اکسیدها می توانند به عنوان لایه دی الکتریک در ترانزیستورهای مبتنی بر نیمه هادی های دو بعدی بدون مشکلات ذکر شده در بالا استفاده شوند یا خیر. “
با تکیه بر این مقاله تحقیقاتی قبلی، یی و همکارانش تصمیم گرفتند پتانسیل این رویکرد را با استفاده از اکسید Ga2O3، که به خواص دی الکتریک قوی نشان می دهد، آزمایش کنند. هدف آنها ابداع روشی قابل اعتماد برای ادغام این اکسید در ترانزیستورهای دو بعدی، به ویژه به عنوان لایه دی الکتریک، و سپس ارزیابی عملکرد ترانزیستورهای حاصل بود.
یی توضیح داد: «روش کشش سطحی که برای تهیه Ga2O3 در مقیاس بزرگ استفاده شد، روش منحصر به فردی بود که در این کار پیشنهاد شد. این فرآیند شامل چند مرحله است. اول، فشار دادن یک قطره گالیم مایع بر روی بستر مورد نظر و انجماد آن به حالت جامد، باقی ماندن یک لایه نازک گالیوم جامد. دوم، گرم کردن سریع آن.
هنگامی که محققان نمونه خود را گرم کردند، لایه نازک گالیم جامد فورا ذوب شد. از آنجایی که این فلز مایع دارای کشش سطحی بسیار قوی است، گالیم مایع مذاب به طور خودکار جمع می‌شود و پوست اکسید بومی خود را روی بستر رسوب می‌کند.
یی گفت: مزیت منحصر به فرد رویکرد ما این است که می توان از آن برای تهیه آسان اکسید فوق نازک و یکنواخت با کیفیت بالا بر روی سطح نیمه هادی های دوبعدی، بدون مشکلات احتمالی با روش های سنتی رسوب استفاده کرد. با استفاده از این روش، Ga2O3 بسیار نازک و یکنواخت را مستقیماً روی نیمه هادی های دو بعدی (MoS2) آماده کردیم و سپس ترانزیستورها را ساختیم.
این تیم از محققان یک سری آزمایش را برای ارزیابی پتانسیل اکسید فلزی خود به عنوان لایه دی الکتریک انجام دادند. قابل ذکر است که Ga2O3 بسیار نازک و یکنواخت کمتر از 3 نانومتر به راحتی در ترانزیستورهای MoS2 از طریق برهمکنش واندروالس ادغام شد. ترانزیستورهای دوبعدی ساخته شده با استفاده از استراتژی آنها، نوسان زیرآستانه‌ای را تا 60 میلی‌ولت dec-1، نسبت روشن/خاموش 108 و نشتی دروازه تا حدود 4 × 10-7 A cm-2 نشان دادند.
یک مزیت کلیدی رویکرد آنها این است که یک رابط واندروالس با کیفیت بالا را می توان به راحتی به دست آورد که از عملکرد دستگاه سود می برد. در همین حال، پیاده سازی آن آسان است و بنابراین می تواند به ساخت ترانزیستورهای دو بعدی در مقیاس بزرگ کمک کند.
یی گفت: روش‌های بالقوه دیگری برای استفاده بهتر از این اکسید بومی گالیم (کنترل ضخامت و آماده‌سازی در مقیاس بزرگ) در سال‌های اخیر گزارش شده است. ما معتقدیم با پیشرفت‌های بیشتر در آینده، می‌توان از این اکسید برای ساخت دستگاه‌های الکترونیکی مختلف استفاده کرد.
مطالعه اخیر این تیم از محققان، فرصت‌های جدیدی را برای ساخت ترانزیستورهای دوبعدی با لایه‌های دی الکتریک مبتنی بر اکسید گالیوم باز می‌کند. در آینده، استراتژی یکپارچه‌سازی معرفی شده توسط یی و همکارانش می‌تواند برای ساخت مدارهای پیچیده‌تر با طیف وسیع‌تری از توابع نیز مورد استفاده قرار گیرد.
یی افزود: اکنون در حال برنامه ریزی برای بهبود روش کشش سطحی هستیم. “در حال حاضر، با عملیات دستی محقق شد و آماده‌سازی در مقیاس ویفر در مقایسه با روش‌های سنتی بی‌نقص نبود. امیدواریم بتوانیم آماده‌سازی با کیفیت بالا را روی یک ویفر کامل انجام دهیم و کاربردهای بیشتری در مقیاس ویفر مانند مدارهای مجتمع نشان دهیم.”
