使用二维材料二硫化铪HfS2的MOS晶体管

2017-06-01 16:44:00
admin
原创
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      东京工业大学、日本理化学研究所(理研)以及冈山大学于2016年4月25日宣布,开发出了使用新型二维材料——二硫化铪(HfS2)的MOS晶体管。并以确认这种晶体管具备良好的饱和特性和电流控制特性,开关比达到104,是良好的电子元器件材料。
      MOS晶体管作为LSI的基础元件,缩小元件尺寸对于提高性能来说非常重要,近年来,MOS晶体管的尺寸已经缩小到了通道长度不到10nm的程度。过去的半导体材料表面存在原子大小的凹凸,在制成极薄的薄膜后,电流传输能力骤降,不可避免地会导致驱动能力降低。而二维材料具有原子级的平整度和厚度(不到1nm),在极薄的薄膜状态下也有望实现高迁移率。
      HfS2属于过渡金属二硫属化物的二维晶群,通过理论计算预测,其单原子层(厚度约为0.6nm)的电子迁移率为1800cm2/Vs,带隙为1.2eV。这些数值超过了代表性半导体材料——硅的物理性质。最有名的二维材料石墨烯的迁移率极高,预计可达10万cm2/Vs,但因为没有带隙,作为LSI元件使用时面临削减耗电量的课题。
       在实验中,研究人员将通过机械剥离法制成的厚度为几个原子层的HfS2薄片转印到了基板上(方法视频在低维材料在线上可见)。使用原子力显微镜观测到的薄片厚度约为2~10个原子层。在薄片上形成金属电极,制成了以背面的半导体基板为栅电极的MOS晶体管结构。制作出的元件观测到了良好的开关比,而且在使用电解质作为栅电极的电双层晶体管结构中,驱动电流提高到了在背栅上工作时的约1000倍以上。
       据巨纳旗下低维材料在线的技术工程师介绍,二硒化铪晶体HfSe2(Hafnium Selenide),晶体结构是六边形的,尺寸可以做到8mm,纯度达到99.995%以上。今后,研究人员将通过对HfS2表面进行适当的保护,同时改善与电极的接触等手段,使用固体栅极绝缘膜达到与电解质电极相当的性能,制造出超低功耗器件。另外,HfS2在与其他二维材料进行异种材料接合时,可能会表现出明显的量子效应,其应用范围有望得到拓展,扩大到二维通道晶体管等。此次研究成果已刊登在3月1日发行的《ScientificReports》杂志上。