FETs مصنوعة من مواد ثنائية الأبعاد

منذ إدخال الترانزستورات ذات التأثير الميداني (FETs) في الإلكترونيات الحديثة ، تم إجراء العديد من التحسينات في تكنولوجيا الدوائر النظرية والتطبيقية. تعتبر FETs مثالية لمضخمات الضوضاء المنخفضة عند الترددات المنخفضة والمتوسطة ، بالإضافة إلى مكبرات الصوت ذات المعاوقة العالية المدخلات والمضخمات الحساسة للشحن والمضاعفات التناظرية. علاوة على ذلك ، يمكن استخدامها أيضًا كعناصر تغذية مرتدة متغيرة. يتم تنفيذ FETs في دوائر الخلط بسبب الحد الأدنى من تشوهات التشكيل البيني في دوائر التحكم وتصميمات الفولتميتر JFET. تجدون هنا المقال الأصلي (IEEE).

معظم FETs الموجودة في الصناعة اليوم مصنوعة من السيليكون بسبب خصائصه الإلكترونية الممتازة والقابلة للتكرار. وفقًا لقانون مور ، يعاني السيليكون من تدهور الحركة عند سماكة القناة الرقيقة ، والتي تحافظ على إلكتروستاتيك قوي للأجهزة عالية التحجيم. يمكن استخدام مواد القناة ثنائية الأبعاد مثل ثنائي الكالكوجينيدات المعدنية الانتقالية (TMDs) في FETs لحل هذه المشكلة. نظرًا لأن المواد ثنائية الأبعاد لها سطح ثنائي الأبعاد ، فإنها تسمح بمستويات تنقل أفضل ، بما في ذلك عند 0.7 أ للقياس العدواني لطول القناة.

تتميز الصفائح النانوية ثنائية الأبعاد بخصائص فريدة تجعلها جذابة لتطبيقات الفصل. لديهم نسبة عالية من مساحة السطح إلى الحجم ، وحجم مسام قابل للضبط وثبات ميكانيكي عالي. تسمح هذه الخصائص بالنقل الجزيئي والفصل الفعال ، مما يجعلها مواد واعدة لمختلف المجالات. يوضح الشكل 1 بنية الصفيحة النانوية ثنائية الأبعاد المكدسة ، حيث يتم تمثيل طبقات TMD بالتناوب مع طبقات أكسيد الذبيحة. في ظروف مماثلة ، يمكن أيضًا دمج CMOS ثنائي الأبعاد مع هذه الأكوام ذات الطبقات ، مما يدعم انخفاض طول البوابة وزيادة عدة قنوات لكل ارتفاع كومة.

تصنيع مقاسات L._SD الأجهزة

لتوسيع نطاق كل من L._SD وأكاسيد البوابة من خلال تمكين الترانزستورات ثنائية الأبعاد قصيرة القناة ، تم إنشاء جهاز تصنيع للحصول على خصائص كهروستاتيكية أفضل. في البداية ، تم تطوير MoS من قبل MBE₂ تم نقل الطبقة الأحادية باستخدام طريقة النقل الرطب إلى ركيزة ذات بوابات سفلية من 5 نانومتر HfO₂ على TiN. يمكن تحديد الأبعاد الرئيسية التي لها دور مهم أثناء تشغيل الجهاز باستخدام حجم بقعة الحزمة الإلكترونية في FWHM ، والتي تتراوح أقل من 10 نانومتر في وضع الدقة العالية. في إنتاج L._SDأبعاد أقل من 25 نانومتر مع اختلاف أقل بين العينات ، تم استخدام عملية مقاومة PMMA.

على الرغم من حقيقة أن طريقة المقاومة الرقيقة تؤدي إلى اختلاف أقل في L._SD حتى في الأحجام الصغيرة ، يمكن أن تكون الطريقة المفضلة أثناء الإقلاع النظيف. TEM لجهاز مزدوج البوابات مع HfO₂ أكسيد البوابة السفلية و Al₂ا₃/ HfO₂ لوحظ أكسيد البوابة العلوي ثنائي الطبقة.

الكهرباء الساكنة للقنوات ثنائية الأبعاد

عندما تمت دراسة SCEs للقنوات أحادية الطبقة ثنائية الأبعاد ، تم فحص خصائص نقل الجهاز أحادي البوابة ، والتي تتراوح من L طويلة_SD أكثر من 50 نانومتر إلى مقياس L._SD 25 نانومتر. كان للترانزستورات تكوين أحادي البوابة حيث أظهرت SS مؤشرات تدهور كـ L._SD صعد أدناه إل_SD = 35 نانومتر ، إلى جانب زيادة متوسط ​​الحاجز الناجم عن الصرف (DIBL) حتى 132 مللي فولت / فولت.

عندما يتعلق الأمر بتشغيل الترانزستورات ثنائية الأبعاد المثالية ، لا يُعتقد أنها تختبر SCEs في هذا القياس. عندما يتم تثبيت بوابة علوية إضافية ، لوحظ وجود تعزيز إلكتروستاتيكي مع SS أكثر انحدارًا_قعد بالقرب من 75 mV / dec و DIBL منخفض 12 mV / V عند طول L_SD.

تم إجراء عمليات محاكاة TCAD أيضًا باستخدام جهاز Sentaurus ، حيث يمكن رؤية اتجاهات الوقت الفعلي في البيانات لأغراض التجريب. ثابت عازل ك = 1 تم تصميمه على أنه فراغ في أسفل HfO₂ لتبسيط الهيكل.

في عمليات المحاكاة ، كان من الواضح أن تفريغ MoS₂ على حافة الاتصال كان موجودًا ، مما أدى إلى تدهور SS. أثناء التجربة ، تمت إضافة شحنة ثابتة موجبة في واجهة Al₂ا₃ لتكرار SS أكثر انحدارًا في الأجهزة ذات البوابة المزدوجة. كان هناك أيضًا ارتباط إيجابي بين DIBL وانتشار SS مع كل L._SD، مما يشير إلى أن التحكم الكهروستاتيكي يختلف من جهاز لآخر. أيضًا ، لوحظ تباين منخفض بالنسبة لبوابة L طويلة_SD الأجهزة التي تعاني من مخلفات النقل العشوائي وقناة TMD غير المعطلة.

أكسيد البوابة

تريميثيل ألومنيوم محسن (TMA) و H.₂تم استخدام التعرض للأكسجين في درجات الحرارة المنخفضة لـ Al₂ا₃ الترسيب عند 120 درجة مئوية ، والذي تم بشكل خاص لبوابة الأكسيد العلوية. بناءً على تحليل AFM الذي تم إجراؤه ، تم إنتاج HfO₂/ آل₂ا₃ طبقة ثنائية مكونة بخشونة RMS تبلغ حوالي 0.5 نانومتر. مع وجود قصر قصير على البوابة ، فإن حوالي 25٪ من الأجهزة ذات البوابات المزدوجة “تفشل” ، وفي نفس الوقت ، 20٪ من الأجهزة تعاني من تسرب عالٍ للبوابة. أظهرت خمسة وخمسون في المائة من الأجهزة تماثلًا عاليًا وتسربًا منخفضًا للغاية للبوابة. أيضًا ، قد يتم دمج الثقب داخل منطقة القناة لجزء صغير من الأجهزة بسبب متوسط ​​المسافة بين المسامير ، مما قد يتسبب في فشل تسرب البوابة.

من الواضح أن أغشية أكسيد ALD “الرقيقة ثنائية الطبقة” الخالية من الثقب تتمتع بجودة جوهرية عالية بناءً على تسرب البوابة المنتظم المنخفض للأجهزة في هذه المجموعة. تم اختيار التصميم الرقيق ثنائي الطبقة على وجه التحديد لتحقيق الاستقرار في أنحف أكسيد البوابة والمساعدة في تحقيق هذا التوازن من خلال توفير أكسيد بوابة رفيع وعالي الجودة مع ضمان التغطية الكافية والحماية للمواد الأساسية. التباطؤ في القياسات ذات البوابة الواحدة والمزدوجة هو ما يقرب من الصفر ، مما يدل على الجودة العالية لواجهة أكسيد البوابة / TMD.

خاتمة

تمت دراسة إلكتروستاتيك الترانزستور ثنائي الأبعاد إحصائيًا باستخدام عملية ALD ثنائية الطبقة مع أسطح رفيعة عالية k متوافقة مع الأسطح ثنائية الأبعاد. استنادًا إلى البيانات التجريبية والمحاكاة ، تتمتع القنوات أحادية الطبقة ثنائية الأبعاد بجسم رفيع جدًا. على الرغم من عدم تحسين سماكة أكسيد البوابة وواجهات الترانزستورات ثنائية الأبعاد ، إلا أنها تُظهر مقاومة جيدة جدًا لتأثيرات القناة القصيرة ، خاصة DIBL. لذلك يمكن تحديد الطبقات الأحادية ثنائية الأبعاد TMD على أنها مواد القناة الأكثر ملاءمة لاستبدال السيليكون من أجل الحفاظ على مقياس قانون مور.

مرجع

قياس طول البوابة إلى ما بعد Si: أحادي الطبقة ثنائية الأبعاد للقناة ثنائية الأبعاد قوية لتأثيرات القناة القصيرة ، اجتماع الأجهزة الإلكترونية الدولية لعام 2022 (IEDM)

Saumitra Jagdale هي مؤسسة Open Cloudware