Neue Transistoren auf Basis von monolayer schwarzem Phosphor und Germaniumarsenid

6. Januar 2024 Funktion

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von Ingrid Fadelli, Tech Xplore

Zweidimensionale (2D) halbleitende Materialien haben sich für die Entwicklung verschiedener elektronischer Geräte, einschließlich tragbarer Geräte und kleinerer Elektronik, als sehr vielversprechend erwiesen. Diese Materialien können erhebliche Vorteile gegenüber ihren sperrigen Gegenstücken haben, beispielsweise behalten sie ihre Trägerbeweglichkeit unabhängig von ihrer reduzierten Dicke bei.

Trotz ihres Potenzials zur Entwicklung von dünnen Elektronikgeräten wurden 2D-Halbleiter bisher nur selten zur Herstellung von Ebenentransistoren verwendet, dünnere Versionen der entscheidenden elektronischen Bauteile, die zur Modulation und Verstärkung des elektrischen Stroms in den meisten existierenden Geräten verwendet werden. Die meisten vorgeschlagenen Ebenentransistoren auf der Basis von 2D-Halbleitern wurden unter Verwendung von wenigen sorgfältig ausgewählten Materialien hergestellt, die bekanntermaßen relativ stabile Gitterstrukturen haben, wie beispielsweise Graphen, Wolframdichalkogenid oder Molybdändisulfid (MoS2).

Forscher der Hunan University, der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und der Wuhan University haben kürzlich damit begonnen, neue Ebenentransistoren mit alternativen 2D-Halbleitermaterialien zu entwickeln, die bisher hauptsächlich zur Herstellung von Mehrlagen-Transistoren verwendet wurden, einschließlich schwarzem Phosphor (BP) und Germaniumarsenid (GeAs). Ihre Arbeit wurde in der Zeitschrift Nature Electronics veröffentlicht.

"Bei einer Reihe vielversprechender 2D-Materialien, wie schwarzem Phosphor und Germaniumarsenid, ist die Herstellung von Ebenentransistoren eine Herausforderung und wird durch die Schwierigkeiten begrenzt, robuste elektrische Kontakte mit den empfindlichen 2D-Materialien herzustellen", schrieben Wangying Li, Quanyang Tao und ihre Kollegen in ihrem Artikel. "Wir berichten über die Herstellung von Ebenentransistoren aus schwarzem Phosphor und Germaniumarsenid mit dreidimensional erhöhten Kontakten unter Verwendung einer van-der-Waals-Abziehtechnik."

Das Hauptziel der jüngsten Arbeit dieses Forscherteams bestand darin, neue Transistoren auf der Basis von Ebenenschicht-2D-Halbleitern zu schaffen, die über diejenigen hinausgehen, die bisher hauptsächlich in Ebenentransistordesigns verwendet wurden. Dies stellt mehrere Herausforderungen dar, da einige dieser Materialien schwer gleichmäßig zu verkleinern sind, ohne ihre intrinsischen Eigenschaften zu beeinträchtigen.

Um dies zu erreichen, entwickelten Li, Tao und ihre Mitarbeiter eine van-der-Waals-Abziehtechnik, die zur Herstellung von Ebenenschicht-2D-Transistoren mit dreidimensional erhöhten Kontakten verwendet werden kann. Diese Technik besteht darin, flache Metalle auf mehrschichtige 2D-Kanäle aufzubringen, wodurch die Forscher die halbleitende Schicht oben auf dem Stapel durch Abziehen des Metalls entfernen können.

"Durch die schichtweise mechanische Abziehtechnik kann der Kanalbereich eines mehrschichtigen Transistors aus schwarzem Phosphor stufenweise auf Ebenenschichtdicke reduziert werden, ohne dass sich das empfindliche Gitter zersetzt, während ein mehrschichtiger Kontaktbereich erhalten bleibt", schrieben Li, Tao und ihre Kollegen.

Im Rahmen ihrer Studie verwendete das Team ihre vorgeschlagene Abziehtechnik, um Homo-Übergänge und Homo-Überstrukturen auf der Basis verschiedener 2D-Halbleiter, einschließlich BP, GeAs, InSe (Indiumselenid) und GaSe (Galliumselenid), zu erzeugen.

Das Team stellte fest, dass ihre vorgeschlagene Methode es ihnen ermöglichte, den Kanalteil ihrer Transistoren zu verkleinern, während sie die erforderliche Dicke im Kontaktbereich beibehielten.

"Mit dieser Technik messen wir die elektrischen Eigenschaften desselben 2D-Transistors mit unterschiedlichen Kanaldicken", schrieben Li, Tao und ihre Kollegen. "Wir stellen fest, dass die Trägerbeweglichkeit von schwarzem Phosphor stark abnimmt, wenn die Dicke des Körpers reduziert wird und sich eher wie ein herkömmlicher Massenhalbleiter als ein reiner van-der-Waals-Halbleiter verhält."

Im Rahmen ihrer kürzlich durchgeführten Studie zeigten die Forscher das Potenzial ihrer Technik zur Entwicklung vielversprechender Ebenentransistoren mit dreidimensional erhöhten Kontakten auf Basis von BP und GeAs auf. In Zukunft könnte ihre schichtweise Abziehmethode neue Möglichkeiten für die Herstellung dünnerer und skalierbarer Transistoren mit ungewöhnlichen 2D-Halbleitern eröffnen, die normalerweise als schlecht geeignet für diese Anwendungen angesehen werden.

'The work has potential implications for other unstable monolayer materials beyond 2D semiconductors such as organic monolayers and perovskite monolayers, which have previously been considered to be non-conductive or to have poor intrinsic properties, but which are actually limited by the poor contact between the metal and monolayers,' Li, Tao and their colleagues added.

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