Neue Transistoren auf Basis von einschichtigem schwarzem Phosphor und Germaniumarsenid

Zweidimensionale (2D) halbleitende Materialien haben sich als vielversprechend für die Entwicklung verschiedener elektronischer Geräte erwiesen, darunter Wearables und kleinere Elektronikgeräte. Diese Materialien können gegenüber ihren sperrigen Gegenstücken erhebliche Vorteile haben, z. B. die Beibehaltung ihrer Trägermobilität trotz ihrer geringeren Dicke.

Trotz ihres Versprechens, dünne Elektronik herzustellen, wurden 2D-Halbleiter bisher nur selten zur Herstellung von Monoschichttransistoren verwendet, dünneren Versionen der entscheidenden elektronischen Komponenten, die zur Modulation und Verstärkung des elektrischen Stroms in den meisten vorhandenen Geräten verwendet werden. Die meisten vorgeschlagenen Monoschichttransistoren auf Basis von 2D-Halbleitern wurden unter Verwendung einiger sorgfältig ausgewählter Materialien hergestellt, von denen bekannt ist, dass sie relativ stabile Gitterstrukturen aufweisen, wie etwa Graphen, Wolframdiselenid oder Molybdändisulfid (MoS).₂).

Forscher der Hunan-Universität, der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und der Wuhan-Universität haben kürzlich damit begonnen, neue Monoschichttransistoren unter Verwendung alternativer zweidimensionaler Halbleitermaterialien zu entwickeln, die bisher hauptsächlich zur Herstellung von Mehrschichttransistoren verwendet wurden, darunter schwarzer Phosphor (BP) und Germaniumarsenid ( GeAs). Ihre Arbeit wird in der Zeitschrift veröffentlicht Naturelektronik.

„Für eine Reihe vielversprechender 2D-Materialien – wie schwarzer Phosphor und Germaniumarsenid – ist die Herstellung von Monoschichttransistoren eine Herausforderung und wird durch die Schwierigkeiten bei der Herstellung robuster elektrischer Kontakte mit den empfindlichen 2D-Materialien begrenzt“, sagen Wangying Li, Quanyang Tao und ihre Kollegen schrieb in ihrer Arbeit. „Wir berichten über die Herstellung von Monoschichttransistoren aus schwarzem Phosphor und Germaniumarsenid mit dreidimensionalen erhabenen Kontakten unter Verwendung einer Van-der-Waals-Peeling-Technik.“

Das Hauptziel der jüngsten Arbeit dieses Forscherteams bestand darin, neue Transistoren auf Basis von Monoschicht-2D-Halbleitern zu entwickeln, die über diejenigen hinausgehen, die bisher hauptsächlich in Monoschicht-Transistordesigns verwendet wurden. Dies stellt mehrere Herausforderungen dar, da es schwierig ist, einige dieser Materialien gleichmäßig und ohne Beeinträchtigung ihrer intrinsischen Eigenschaften zu verkleinern.

Um dies zu erreichen, haben Li, Tao und ihre Mitarbeiter eine Van-der-Waals-(vdW)-Peeling-Technik entwickelt, mit der einschichtige 2D-Transistoren mit 3D-erhabenen Kontakten hergestellt werden können. Bei dieser Technik werden flache Metalle auf mehrschichtige 2D-Kanäle laminiert, was es den Forschern wiederum ermöglicht, die Halbleiterschicht an der Oberseite des Stapels durch Abziehen des Metalls zu entfernen.

„Durch schichtweises mechanisches Ablösen kann der Kanalbereich eines mehrschichtigen schwarzen Phosphortransistors schrittweise auf die Dicke einer Monoschicht reduziert werden, ohne sein empfindliches Gitter zu beeinträchtigen und gleichzeitig einen mehrschichtigen Kontaktbereich beizubehalten“, schrieben Li, Tao und ihre Kollegen.

Im Rahmen ihrer Studie nutzte das Team die von ihm vorgeschlagene Peeling-Technik, um Homoübergänge und Homoübergitter auf der Basis verschiedener 2D-Halbleiter herzustellen, darunter BP, GeAs, InSe (Indiumselenid) und GaSe (Galliumselenid).

Das Team stellte fest, dass die vorgeschlagene Methode es ihnen ermöglichte, den Kanalteil ihrer Transistoren dünner zu machen und gleichzeitig die erforderliche Dicke im Kontaktbereich beizubehalten.

„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 Trägermobilität von schwarzem Phosphor stark abnimmt, wenn die Körperdicke verringert wird, und dass es sich eher wie ein herkömmlicher Massenhalbleiter verhält als wie ein reiner Van-der-Waals-Halbleiter.“

Im Rahmen ihrer aktuellen Studie demonstrierten die Forscher das Potenzial ihrer Technik zur Entwicklung vielversprechender Monoschichttransistoren mit 3D-erhabenen Kontakten auf Basis von BP und GeAs. Ihre schichtweise Schälmethode könnte in Zukunft neue Horizonte für die Herstellung dünnerer und skalierbarer Transistoren unter Verwendung ungewöhnlicher 2D-Halbleiter eröffnen, die für diese Anwendungen normalerweise als leistungsschwach gelten.

„Die Arbeit hat potenzielle Auswirkungen auf andere instabile Monoschichtmaterialien jenseits von 2D-Halbleitern wie organische Monoschichten und Perowskit-Monoschichten, die bisher als nicht leitend galten oder schlechte intrinsische Eigenschaften haben, die aber tatsächlich durch den schlechten Kontakt zwischen ihnen eingeschränkt sind.“ Metall und Monoschichten“, fügten Li, Tao und ihre Kollegen hinzu.

© 2024 Science X Network