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新发现的2D半导体家族可使电子设备更加节能

2021-10-01 22:53 · 稿源: cnbeta

据新加坡科技大学(SUTD)的研究人员称,最近发现的一个二维(2D)半导体家族可以为高性能和高能效的电子产品铺平道路。他们的研究结果发表在《二维材料与应用》(npj 2D Materials and Applications)上,可能会因此发展出适用于主流电子和光电子的半导体器件,甚至有可能完全取代硅基器件技术。

在寻求电子设备小型化的过程中,一个众所周知的趋势是摩尔定律,它描述了计算机集成电路中的元件数量如何每18个月增加一倍。这一趋势之所以能够实现,是因为晶体管的尺寸不断缩小,其中一些晶体管非常小,以至于数百万个晶体管可以挤在一个指甲盖大小的芯片上。但是,随着这一趋势的继续,工程师们开始努力解决硅基设备技术固有的材料限制。

(左图)金属接触MoSi2N4单层的图解。当金被用作MoSi2N4的电极材料时,会形成肖特基接触。另一方面,通过使用钛电极可以实现高能效的欧姆接触。

(右图)在这项工作中研究的MoSi2N4和WSi2N4金属接触的"斜率参数"S与其他种类的二维半导体相比是最低的,这表明MoSi2N4和WSi2N4在电子器件应用中具有强大的潜力。

由于量子隧道效应,将硅基晶体管缩得太小将导致高度不可控的设备行为,"领导这项研究的SUTD助理教授Ang Yee Sin说。"人们现在正在寻找超越'硅时代'的新材料,而二维半导体是一种有希望的候选材料。"二维半导体是只有几个原子厚的材料。由于其纳米级的尺寸,在寻求开发紧凑型电子设备的过程中,此类材料是替代硅的有力竞争者。然而,许多目前可用的二维半导体在与金属接触时受到高电阻的困扰。

"当你在金属和半导体之间形成接触时,往往会出现我们所说的肖特基屏障,"Ang解释说。"为了迫使电力通过这个屏障,你需要施加一个强大的电压,这就浪费了电力并产生了废热。

这激起了研究小组对欧姆接触的兴趣,这是没有肖特基屏障的金属半导体接触。在他们的研究中,Ang和来自南京大学、新加坡国立大学和浙江大学的合作者表明,最近发现的二维半导体家族,即MoSi2N4和WSi2N4,与金属钛、钪和镍形成欧姆接触,这些金属在半导体设备行业中被广泛使用。

此外,研究人员还表明,这些新材料不存在费米级钉扎(FLP),这个问题严重限制了其他二维半导体的应用潜力。

"FLP是一种发生在许多金属-半导体接触中的不利影响,是由接触界面上的缺陷和复杂的材料相互作用造成的,"Ang说。"这种效应将接触的电性能'钉'在一个狭窄的范围内,而不管接触中使用的是什么金属。"由于FLP,工程师们无法调整或调节金属和半导体之间的肖特基势垒--减少了半导体设备的设计灵活性。

为了最大限度地减少FLP,工程师们通常采用一些策略,如非常轻柔和缓慢地将金属置于二维半导体的顶部,在金属和半导体之间创建一个缓冲层,或使用二维金属作为与二维半导体的接触材料。虽然这些方法是可行的,但它们还不实用,而且与使用当今主流工业技术的大规模制造不兼容。

令人惊讶的是,Ang的团队表明,MoSi2N4和WSi2N4由于有一个惰性的Si-N外层,屏蔽了底层半导体层在接触界面上的缺陷和材料相互作用,所以自然地受到FLP保护。

由于这种保护,肖特基势垒是"无钉"的,可以被调整以符合广泛的应用要求。这种性能的提高有助于使二维半导体成为硅基技术的替代品,像台积电和三星这样的大公司已经对二维半导体电子产品表示了兴趣。

Ang希望他们的工作将鼓励其他研究人员探测新发现的二维半导体家族的更多成员的有趣特性,甚至是那些具有电子以外的应用。其中一些可能在电子学应用方面非常差,但在自旋电子学、光催化剂或作为太阳能电池的构建块方面非常好。下一个挑战是系统地扫描所有这些二维材料,并根据它们的潜在应用对它们进行分类。

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