2-мерный полевой транзистор с высокой подвижностью электронов

Национальная лаборатория им. Лоуренса в Беркли создала прототип полевого транзистора, все элементы которого (полупроводник, изолятор и металлические слои) основаны на 2-мерных многоуровневых гетерогенных материалах.

Объявленный как первый полностью 2-мерный полевой транзистор, новый компонент не склонен к ухудшению рабочих характеристик при работе с высоким напряжением. Подвижность электронов в транзисторе остаётся высокой даже при толщине в один монослой.

Полевые транзисторы, в которых электрический сигнал, поданный на один электрод, управляет током, проходящим через компонент, широко используются в электронике. Все транзисторы такого типа имеют электроды: сток, исток и затвор – связанные каналом, через который протекают носители заряда (электроны или дырки). Неоднородность кристаллической структуры и атомной решётки в отдельных компонентах ведёт к шероховатости, ухудшающей подвижность электронов, особенно при сильном электрическом поле.

Профессор электротехники и компьютерных наук университета в Беркли, Али Яви, руководит исследованиями в области разработки нового полевого транзистора. Совместно с командой он создал 2-мерный полевой транзистор с использованием дисульфида дихалькогенида молибдена в качестве проводящего электроны канала. Для изолятора затвора использован гексагональный нитрид бора, электроды затвора, стока и истока выполнены из графена. Все составляющие материалы – это отдельные кристаллы, удерживаемые ван-дер-ваальсовыми силами.

Использование связывания при помощи ван-дер-ваальсовых сил обеспечивает уникальной архитектурой компонента, в которой кристаллические материалы с одинаковой атомарной толщиной располагаются слоями в зависимости от технологической необходимости.

«Наша работа – это важный шаг на пути к выработке нового класса электронных компонентов, в которых элементы связаны ван-дер-ваальсовыми силами, а не ковалентными связями, что даёт беспрецедентный уровень контроля при работе с материалами и разработке устройств, – отмечает Али Яви. – Результаты исследований в области применения систем слоёв материалов для производства электронных компонентов обнадёживают».

Исследования привели к выработке транзистора n-типа с отношением токов включения и выключения более 106 и подвижностью электронов 33 кв.см/В*с. Подвижность не ухудшается при высоком напряжении, что является важным преимуществом по сравнению с кремниевыми транзисторами.

«Мы пришли к уникальной структуре при конструировании 2-мерных полевых транзисторов так, чтобы каждый компонент был выполнен из слоистых материалов с ван-дер-ваальсовым взаимодействием. Толщина каждого компонента чётко определена, шероховатости отсутствуют, даже на атомарном уровне, – рассказывает Али Яви. – Использование ван-дер-ваальсового взаимодействия и многошагового процесса переноса стало платформой для производства сложных электронных компонентов, основанных на кристаллических слоях. При этом исключены ограничения, связанные с параметрами кристаллической решётки, что часто становится барьером на пути повышения рабочих характеристик традиционных гетеросоединений».

Настоящее исследование было спонсировано научным отделом энергетики госдепартамента США. Яви является автором работы «Полевые транзисторы, полностью созданные из 2-мерных материалов».