Новые тенденции в 2d транзисторах на основе материалов для полупроводников

На протяжении десятилетий неустанное масштабирование кремниевых транзисторов — в соответствии с законом Мура — обеспечивало экспоненциальный рост производительности и энергоэффективности. Но по мере приближения к фундаментальным пределам миниатюризации кремния исследователи обращаются к новым материалам для поддержания прогресса. Среди наиболее перспективных кандидатов — двумерные (2D) материалы: атомарно тонкие кристаллы, которые проявляют необычайные электрические, оптические и механические свойства. Эти материалы открывают новые пути для проектирования транзисторов, позволяя устройствам, которые меньше, быстрее, гибче и более энергоэффективны, чем все, что возможно с обычными объемными полупроводниками.

В этой статье рассматриваются новые тенденции в транзисторах на основе 2D-материалов, от фундаментальной науки до последних научных прорывов. Мы изучаем наиболее активные области инноваций - переходные металлические дихалькогениды, гетероструктуры ван дер Ваальса, гибкая электроника и за ее пределами - и обсуждаем препятствия, которые необходимо преодолеть, чтобы довести эти технологии из лаборатории до фаб. Цель состоит в том, чтобы предоставить четкий, авторитетный обзор того, как 2D-материалы меняют будущее полупроводниковых устройств.

Введение в 2D материалы

Двумерные материалы представляют собой кристаллические твердые вещества, состоящие из одного слоя атомов. Архетипом является графен — монослой атомов углерода, расположенных в сотовой решетке — впервые выделенный в 2004 году Андре Геймом и Константином Новоселовым, заработавший им Нобелевскую премию. Открытие графена вызвало взрыв исследований других атомарно тонких материалов, каждый со своими уникальными свойствами. Сегодня семейство 2D-материалов включает в себя:

• Графен — полуметалл с нулевым разрывом с ультравысокой подвижностью носителей и исключительной теплопроводностью.
• Переходные металлические дихалькогениды (TMD) — полупроводники с настраиваемыми бандгапами (например, MoS2, WS2, WSe2).
• Гексагональный нитрид бора (h-BN) — изолятор с отличными диэлектрическими свойствами и атомной гладкостью.
• Черный фосфор (фосфорен) — слоистый полупроводник с прямым полосовым разрывом, зависящим от толщины.
• Силицен, германен и станен — 2D-аналоги кремния, германия и олова с обещанием для топологической электроники.

Что делает эти материалы настолько привлекательными для транзисторов, так это их максимальная толщина — обычно всего один-два атома толщиной. В обычном кремниевом транзисторе область канала может быть толщиной в десятки нанометров, что становится все более проблематичным на масштабах ниже 10 нанометров из-за эффектов короткого канала, токов утечки и рассеивания мощности. 2D-канал материала по определению однороден на атомном масштабе, обеспечивая превосходное электростатическое управление и потенциал для сокращения длины затвора до нескольких нанометров .

Свойства, которые делают 2D-материалы привлекательными для транзисторов

Помимо тонкости, некоторые физические свойства отличают 2D-материалы от объемных полупроводников и делают их особенно подходящими для транзисторов следующего поколения.

Перевозчик мобильности и транспорта

Переносная мобильность — скорость, с которой электроны или дырки движутся через материал под электрическим полем — является основной метрикой производительности для транзисторов. Графен может похвастаться внутренней подвижностью, превышающей 200 000 см2 / В·с при комнатной температуре, намного выше, чем кремний. Однако нулевой разрыв графена предотвращает его выключение, что делает его непригодным для логических транзисторов. TMD, такие как MoS2 и WS2, имеют пропуски в диапазоне 1-2 эВ (аналогично кремнию), но с более низкой подвижностью (обычно 10-200 см2 / В·с). Многие исследования сосредоточены на улучшении мобильности TMD за счет лучшего качества кристаллов, инкапсуляции и тензоинженерии.

Электростатический контроль и короткоканальные эффекты

Поскольку толщина канала минимальна, 2D-материалы предлагают почти идеальное соединение затвора, уменьшая эффекты короткого канала, такие как снижение барьера, вызванного дренажем, и сворачивание порогового напряжения. Это позволяет транзисторам с длиной затвора до 1 нм функционировать — подвиг, невозможный с кремнием.

Механическая гибкость и прозрачность

Монослойные материалы могут быть согнуты до чрезвычайно малых радиусов без разрушения, что делает их идеальными для гибкой и носимой электроники. Большинство 2D-полупроводников также оптически прозрачны, открывая приложения в прозрачных дисплеях и умных окнах.

Гетероструктурная инженерия

В отличие от обычных полупроводников, которые должны быть сопоставлены решеткой для объединения различных материалов, 2D-материалы могут быть сложены произвольно с помощью сил ван-дер-Ваальса (vdW). Это позволяет строить гетероструктуры с атомарно острыми интерфейсами, где каждый слой вносит свою собственную электронную или фотонную функцию. Такие дизайнерские материалы невозможны при эпитаксиальном росте.

Новые тенденции в 2D транзисторах на основе материалов

Исследования 2D-транзисторов резко ускорились за последнее десятилетие. Появилось несколько различных тенденций, каждая из которых касается различных требований к устройствам или областей применения. Ниже мы исследуем наиболее важные направления.

1. Переходные металлические дихалкогениды (ТМД) для логики и памяти

Переходные металлические дихалькогениды — соединения типа MX2, где M является переходным металлом (Mo, W, Re) и X — халькогеном (S, Se, Te) — являются наиболее изученными 2D-полупроводниками для транзисторных каналов. Дисульфид молибдена (MoS2) и диселенид вольфрама (WSe2) являются наиболее яркими примерами. Их ключевым преимуществом является значительный и настраиваемый разрыв в диапазоне: MoS2 имеет косвенный разрыв в 1,2 эВ навалом, но прямой разрыв в 1,8 эВ в монослойной форме. Это делает их пригодными как для цифровой логики, так и для оптоэлектронных приложений.

Недавний прогресс включает:

• Высокопроизводительные MoS2 FETs с коэффициентами включения/выключения, превышающими 108, и подпороговыми колебаниями вблизи теоретического предела 60 мВ/десятилетие при комнатной температуре, достигаемыми за счет улучшенных затворных диэлектриков, таких как h-BN или HfO2 [[Nature Nanotechnology, 2014].
• Дополнительные логические схемы , использующие как MoS2 n-типа, так и WSe2 p-типа для построения инверторов, NAND-шлюзов и ячеек SRAM.
• Негативно-дифференциальное сопротивление (NDR) и туннельные транзисторы (TFET) на основе гетероструктур TMD, предлагающих крутые подпороговые склоны для работы с ультранизкой мощностью.
• Нелетучая память , такая как транзисторы с плавающими затворами и сегнетоэлектрические полевые транзисторы (FeFET), которые объединяют 2D полупроводниковый канал с захватом заряда или стек сегнетоэлектрических затворов.

Одной из постоянных проблем является достижение низкого сопротивления контакта между 2D-каналом и металлическими электродами. Зазор Ван-дер-Ваальса может создать туннельный барьер, ухудшая производительность. Новые схемы контакта, такие как использование полуметаллического висмута (Bi) или сурьмы (Sb) для индуцирования состояний зазора, индуцированных металлом, контролируемым образом, показали контактные сопротивления ниже 100 Ω·μm .

2.Гетероструктуры Ван-дер-Ваальса и слоистые композиты

Способность укладывать различные 2D-материалы, такие как кирпичи Lego атомного масштаба, породила совершенно новый класс электронных устройств. В гетероструктуре vdW каждый слой можно выбрать для определенной цели: канал TMD для полупроводниковых свойств, h-BN в качестве диэлектрика затвора, графен в качестве прозрачного электрода и другой TMD для зондирования или светового излучения. Интерфейсы атомарно чистые, свободные от болтающихся связей и удивительно однородные на больших площадях.

Ключевые разработки в гетероструктурных транзисторах включают:

• Вертикальные полевые транзисторы (VFET), где ток течет перпендикулярно слоям. Эта геометрия может достигать чрезвычайно высокой плотности тока и быстрой скорости переключения, сокращая длину канала до толщины барьерных материалов в атомном масштабе.
• Графен/h-BN/TMD шлюзовые стеки, которые сочетают высокую мобильность с низкой утечкой, что позволяет использовать транзисторы с почти идеальными субпороговыми характеристиками.
• Фототранзисторы и светоизлучающие транзисторы, где один 2D-слой поглощает свет, а другой обеспечивает электрический прирост, достигая отзывчивости далеко за пределами обычных фотоприемников.
• Негативные емкостные транзисторы с использованием сегнетоэлектрических 2D-материалов, таких как CuInP2S6, для уменьшения подпорогового качения ниже 60 мВ/десятилетие, что позволяет переключаться при более низких напряжениях.

Гибкость сборки vdW также позволяет исследователям изучать фундаментальную физику, такую как суперрешетки муара, коррелированные топологические состояния и экситонную конденсацию — явления, которые в конечном итоге могут привести к совершенно новым вычислительным парадигмам.

3. Гибкая и носимая электроника

Крайняя тонкость и механическая гибкость 2D-материалов делают их идеально подходящими для электроники, которая должна изгибаться, растягиваться или соответствовать изогнутым поверхностям. Гибкие транзисторы на основе MoS2 или графена были продемонстрированы на пластиковых, бумажных и даже биологических подложках. Приложения включают в себя пластыри для мониторинга здоровья, умную упаковку и изгибаемые дисплеи.

Прогресс в области гибких 2D транзисторов включает в себя:

• Высокоскоростные гибкие FETs с частотами отсечения в гигагерцовом диапазоне, достигаемые за счет оптимизированной геометрии устройства и синхронизации деформаций.
• Интегрированные гибкие схемы, включая логические затворы, кольцевые осцилляторы и сенсорные массивы, построенные полностью из 2D-материалов на полимерных подложках.
• Носимые биосенсоры, которые обнаруживают метаболиты, ионы или биомолекул с чувствительностью до фемтомолярного уровня, обеспечиваемого большим соотношением поверхности к объему 2D-материалов.
• Устройства для сбора энергии , такие как гибкие фотоэлектрические элементы и термоэлектрические генераторы, которые включают 2D-транзисторы для управления питанием.

Несмотря на эти демонстрации, в производстве остаются проблемы - большой площади, равномерное увеличение 2D-пленки на гибких подложках все еще трудно - и в инкапсуляции для защиты материалов от окружающего кислорода и влаги. Недавние стратегии, такие как осаждение атомного слоя (ALD) слоев пассивации оксида и ламинирование газонепроницаемыми пленками, значительно улучшили стабильность.

4.2D материалы для вне-КМОП логики

Помимо обычных полевых транзисторов, 2D-материалы изучаются для альтернативных механизмов переключения, которые могут превзойти CMOS в долгосрочной перспективе.

Транзисторы полевых эффектов туннеля (TFET)

TFET используют квантово-механическое туннелирование по полосе на полосу вместо теплового впрыска для управления током, что позволяет подпороговым колебаниям ниже 60 мВ/десятилетие. 2D гетеропереходные TFET продемонстрировали крутые склоны около 20 мВ/десятилетия при комнатной температуре, хотя коэффициенты выключения тока по-прежнему скромны. Недавние работы с использованием гетероструктур WSe2/SnSe2 достигли рекордной производительности (ACS Nano, 2023) .

Транзисторы спина

2D-материалы с сильной спин-орбитальной связью (например, WTe2, NbSe2) могут использоваться для инъекций, манипулирования и обнаружения спиновых токов. 2D-спин-полевой транзистор позволит выполнять логические операции с очень низким рассеиванием мощности. Хотя еще в ранних исследованиях способность проектировать длительные сроки службы спина и времена когерентности делает 2D-материалы привлекательными кандидатами.

Нейроморфные и вычислительные устройства в памяти

Мемристивные явления в 2D-материалах, такие как резистивное переключение и синаптическая пластичность, позволяют создавать искусственные синапсы и нейроны для вычислений, вдохновленных мозгом. Устройства на основе MoS2, h-BN и оксида графена показали аналоговые обновления веса, зависящую от импульса пластичность и потребление энергии на пик всего за несколько фемтоджоулей. Они могут служить строительными блоками для высокоэффективных нейронных сетей.

5.Прогресс в области производства и интеграции

Для перехода 2D-транзисторов от лабораторного любопытства к коммерческой реальности необходимо разработать масштабируемые производственные процессы.

• Химическое осаждение паров (CVD) монослойных TMD на подложках вафельного масштаба (до 8-дюймовых пластин) с улучшенной однородностью и уменьшенной плотностью дефектов.
• Методы переноса слоя с использованием слоев жертвенного высвобождения и клейких лент, которые позволяют собирать стеки vdW с точностью выравнивания в диапазоне микрометров.
• Прямой рост на подложках устройств за счет оптимизации условий зарождения и роста для минимизации загрязнения и теплового бюджета.
• Интеграция с кремниевым CMOS посредством гетероэпитакси, вафельного связывания или монолитной 3D-интеграции с использованием низкотемпературной обработки (<400 °C), которая сохраняет качество 2D-материала.

Промышленные консорциумы, такие как IMEC 2D Materials Program и European Graphene Flagship, активно развивают эти технологии, и в настоящее время несколько прототипов интегральных схем демонстрируются в 300-мм масштабе.

Проблемы и перспективы будущего

Несмотря на невероятный прогресс, необходимо преодолеть значительные препятствия, прежде чем 2D-транзисторы на основе материалов смогут конкурировать с кремнием в основной электронике.

Широкомасштабный, высококачественный синтез

В то время как CVD-рост MoS2 и графена продвинулся, полученные пленки все еще содержат границы зерна, дефекты точки и неравномерность толщины. Эти ухудшают производительность устройства и выход. Необходимы методы выращивания однокристаллических 2D-пленок на больших площадях, возможно, посредством эпитаксиального посева или процессов с помощью расплава.

Контактное сопротивление и допинг

Как отмечалось, интерфейс металл-2D является стойким узким местом. Шотткинский барьер и токоинъекция на уровне Ферми. Новые контактные металлургии, электростатический допинг с использованием ионных затворов и допинг переноса заряда из органических молекул все исследуются, но универсального решения не появилось.

Ворота диэлектрической интеграции

Высокок-диэлектрики, такие как HfO2 или Al2O3, которые осаждаются на 2D-поверхностях, часто страдают от плохого зарождения, что приводит к высокой утечке. Использование диэлектриков vdW, таких как h-BN, избегает этой проблемы, но еще не масштабируется. Гибридные подходы - монослой h-BN, за которым следует оксид металла ALD - показывают многообещающие результаты.

Стабильность и надежность

Многие 2D-материалы деградируют в условиях окружающей среды (например, черный фосфор). Даже TMD могут окисляться при повышенных температурах. Инкапсуляция с оксидами h-BN или ALD помогает, но долгосрочная надежность при электрическом напряжении остается плохо изученной. Для соответствия коммерческим стандартам необходимы ускоренные испытания на старение и анализ отказов.

Интеграция с существующей инфраструктурой

Полупроводниковое производство — это экосистема стоимостью триллион долларов, оптимизированная для кремния. Внедрение новой материальной платформы требует не только достижений на уровне устройств, но и совместимых процессов литографии, травления, осаждения и метрологии. 2D-материалы часто чувствительны к химическим веществам, повреждениям плазмы и высоким температурам, что требует новых технологических потоков.

Заключение

Двумерные материалы представляют собой один из самых захватывающих рубежей в исследованиях полупроводников. Их атомная тонкость, превосходное электростатическое управление и непревзойденная гибкость открывают двери для транзисторов, которые могут работать на пределе физического масштабирования, а также позволяют совершенно новые концепции устройств - от гибких носимых устройств до нейроморфных чипов. Тенденции, описанные здесь - технология каналов ТМД, гетероструктуры ван дер Ваальса, гибкая электроника и логика за пределами КМОП - все это активные области интенсивного исследования.

Конечно, путь к коммерциализации длинный. Проблемы производства, контактное сопротивление, диэлектрическая интеграция и проблемы стабильности остаются огромными. Тем не менее темпы прогресса замечательны. При устойчивых инвестициях в фундаментальные материалы и развитие промышленных процессов 2D-транзисторы на основе материалов вполне могут стать основным компонентом полупроводниковой технологии следующего поколения, дополняя или даже заменяя кремний в конкретных приложениях, где производительность или гибкость имеют первостепенное значение.

Для исследователей и инженеров важно оставаться в курсе этих событий. В ближайшее десятилетие, вероятно, первые коммерческие продукты с 2D-транзисторами, начиная от ультраэффективных логических чипов для центров обработки данных до изгибаемых дисплеев и медицинских имплантатов, будут процветать в эпоху электроники, невообразимую всего несколько лет назад.