Nya transistorer baserade på svart fosfor och germaniumarsenid i monolager

Tillverkningsprocesser för vdW-peeling av BP. a,b, Schematisk bild (a) och optisk bild (b) av en flerskikts BP-flake som exfolierats på ett kiselsubstrat. c,d, Schematisk bild (c) och optisk bild (d) av en Pt-strip som fysiskt laminerats ovanpå en BP-flake. e,f, Genom att fysiskt peela bort Pt-stripen (e) avlägsnas det översta BP-skiktet och de inneboende egenskaperna hos de återstående skikten bibehålls (f). 1L, ett lager. g,h, AFM-höjdmätning (g) och inzoomad AFM-bild (h) för den vdW-peelade BP-flagan som visas i f. Den förtunnade regionen uppvisar en liten ytråhet (root-mean-square, r.m.s.) på 0,15 nm, vilket tyder på den orörda ytan efter vdW-peelingprocessen. i, optisk bild av den andra peelingen av BP-flagan som visas i f, med 90° rotation av Pt-stripen. Skalstaplar, 10 μm i b, d, f och i, 3 μm i g och 1 μm i h. Kredit: Nature Electronics (2023). DOI: 10.1038/s41928-023-01087-8
Tillverkningsprocesser för vdW-peeling av BP. a,b, Schematisk bild (a) och optisk bild (b) av en flerskikts BP-flake som exfolierats på ett kiselsubstrat. c,d, Schematisk bild (c) och optisk bild (d) av en Pt-strip som fysiskt laminerats ovanpå en BP-flake. e,f, Genom att fysiskt peela bort Pt-stripen (e) avlägsnas det översta BP-skiktet och de inneboende egenskaperna hos de återstående skikten bibehålls (f). 1L, ett lager. g,h, AFM-höjdmätning (g) och inzoomad AFM-bild (h) för den vdW-peelade BP-flagan som visas i f. Den förtunnade regionen uppvisar en liten ytråhet (root-mean-square, r.m.s.) på 0,15 nm, vilket tyder på den orörda ytan efter vdW-peelingprocessen. i, optisk bild av den andra peelingen av BP-flagan som visas i f, med 90° rotation av Pt-stripen. Skalstaplar, 10 μm i b, d, f och i, 3 μm i g och 1 μm i h. Kredit: Nature Electronics (2023). DOI: 10.1038/s41928-023-01087-8

Tvådimensionella (2D) halvledande material har visat sig vara mycket lovande för utvecklingen av olika elektroniska enheter, inklusive bärbara enheter och mindre elektronik. Dessa material kan ha betydande fördelar jämfört med sina skrymmande motsvarigheter, till exempel att de behåller sin bärarmobilitet oberoende av sin minskade tjocklek.

Trots att 2D-halvledare är lovande för att skapa tunn elektronik har de hittills endast sällan använts för att skapa monolager-transistorer, tunnare versioner av de viktiga elektroniska komponenter som används för att modulera och förstärka elektrisk ström i de flesta befintliga enheter. De flesta föreslagna enskiktstransistorer baserade på 2D-halvledare skapades med hjälp av några noggrant utvalda material som är kända för att ha relativt stabila gitterstrukturer, såsom grafen, volframdiselenid eller molybdendisulfid (MoS2).

Forskare vid Hunan University, Chinese Academy of Sciences och Wuhan University har nyligen försökt utveckla nya enskiktstransistorer med hjälp av alternativa halvledande 2D-material som hittills främst har använts för att skapa flerskiktstransistorer, inklusive svart fosfor (BP) och germaniumarsenid (GeAs). Deras arbete publiceras i tidskriften Nature Electronics.

”För ett antal lovande 2D-material – som svart fosfor och germaniumarsenid – är tillverkningen av monolager-transistorer en utmaning och begränsas av svårigheterna att bilda robusta elektriska kontakter med de känsliga 2D-materialen”, skriver Wangying Li, Quanyang Tao och deras kollegor i sin artikel. ”Vi rapporterar tillverkningen av transistorer av svart fosfor och germaniumarsenid i monolager med tredimensionella upphöjda kontakter med hjälp av en van der Waals peeling-teknik.”

Det primära målet med forskargruppens senaste arbete var att skapa nya transistorer baserade på 2D-halvledare i monolager, utöver de som hittills främst har använts i monolager-transistordesign. Detta innebär flera utmaningar, eftersom vissa av dessa material är svåra att skala ner på ett enhetligt sätt utan att kompromissa med deras inneboende egenskaper.

För att uppnå detta har Li, Tao och deras medarbetare utvecklat en van der Waals-teknik (vdW) som kan användas för att skapa 2D-transistorer i monolager med 3D-upphöjda kontakter. Tekniken innebär att platta metaller lamineras på flerskiktade 2D-kanaler, vilket i sin tur gör det möjligt för forskarna att ta bort det halvledande skiktet högst upp i stapeln genom att skala av metallen.

”Genom mekanisk peeling lager för lager kan kanalområdet i en svart fosfortransistor med flera lager gradvis reduceras till ett enda lager utan att försämra dess känsliga gitter och samtidigt behålla ett kontaktområde med flera lager”, skriver Li, Tao och deras kollegor.

Som en del av sin studie använde teamet sin föreslagna peeling-teknik för att skapa homo-junctions och homo-superlattices baserade på olika 2D-halvledare, inklusive BP, GeAs, InSe (indium selenide) och GaSe (gallium selenide).

Teamet fann att deras föreslagna metod gjorde det möjligt för dem att tunna ut kanaldelen av sina transistorer samtidigt som de behöll den erforderliga tjockleken i kontaktområdet.

”Med hjälp av tekniken mäter vi de elektriska egenskaperna hos samma 2D-transistor med olika kanaltjocklekar”, skriver Li, Tao och deras kollegor. ”Vi ser att bärarmobiliteten hos svart fosfor sjunker kraftigt när tjockleken minskar, och att den beter sig mer som en konventionell bulkhalvledare snarare än en ren van der Waals-halvledare.”

Som en del av sin senaste studie visade forskarna potentialen hos sin teknik för att utveckla lovande monolager-transistorer med 3D-upphöjda kontakter baserade på BP och GeAs. I framtiden kan deras lager-för-lager-peeling-metod öppna nya horisonter för skapandet av tunnare och skalbara transistorer som använder ovanliga 2D-halvledare som vanligtvis betraktas som dåligt presterande för dessa applikationer.

”Arbetet har potentiella konsekvenser för andra instabila monolagermaterial utöver 2D-halvledare, såsom organiska monolager och perovskitmonolager, som tidigare har ansetts vara icke-ledande eller ha dåliga inneboende egenskaper, men som faktiskt begränsas av den dåliga kontakten mellan metallen och monolagren”, tillägger Li, Tao och deras kollegor.

Ytterligare information: Wanying Li et al, Monolayer black phosphorus and germanium arsenide transistors via van der Waals channel thinning, Nature Electronics (2023). DOI: 10.1038/s41928-023-01087-8

Bli först med att kommentera

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte att publiceras.