Yarı iletken endüstri bir geçiş noktasında duruyor. On yıllardır, en umut verici adayların sürekli ölçeklendirmesi - performans ve enerji verimliliğinde üst üste gelen atomik kazanımlara sahip. Ancak, silikon minimizasyonun temel sınırlarını yaklaşırken, araştırmacıların ilerlemeye devam etmesi için yeni malzemelere dönüyorlar.En umut verici adaylar iki boyutlu (2D) malzemeler: olağanüstü elektrik, optik ve mekanik özellikler sergileyen atomik olarak ince kristaller.

Bu makale, 2D materyal tabanlı transistörlerdeki ortaya çıkan eğilimleri araştırıyor ve bu teknolojileri laboratuardan fab'a getirmek için üstesinden gelmemiz gereken engelleri tartışıyoruz.

2D Malzemeye Giriş

İki boyutlu malzemeler, tek bir atom tabakasından oluşur. Filozofer grafiğidir - bir balcomb lattice'de düzenlenen karbon atomunun monokatı - 2004'te Andre Geim ve Konstantin Novoselov tarafından izole edilen, onlara Nobel Ödülü kazandırıyor.

  • [FONT=0)Graphene[[DÜT:1) – ultra yüksek taşıyıcı hareketliliği ve olağanüstü termal iletkenliği ile sıfır yarı metal.
  • [FONT=0) Metal dichalcogenides (TMDs)) – tunable bandgaps (e.g., MoS2, WS2, WSe2) ile yarı iletkenler.
  • [0]Hexagonal boron nitride (h-BN)) - mükemmel dielektrik özellikleri ve atomik pürüzsüzliği olan bir atomik.
  • [0] Siyah fosfor (fosforene)[fosforene)[Dönetici:0)))[Köpektif olarak, kalınlıkta olan doğrudan bir grupgap ile yarı iletken.
  • [FONT:0]Silicene, Germanyene ve stane[[D=D) – 2D silikon, Germanyium ve toktriğe söz veren toparolojik elektronik elektronik.

Bu malzemeleri transistörler için çok cazip kılan şey, son derece incelikleridir - sadece birkaç atom kalınlığında, üstün elektrostatik kontrol ve kapı uzunluğuna sadece birkaç nanometrenin altında ölçeklenen 10 nanometreye kadar sabitlenebilir.()[D malzeme kanalı, tanımla, atom ölçeğinde, üstün estatik kontrol ve kapı uzunluğu sağlamak için, yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte daha fazla problemli bir şekilde sabitlenebilir.[D)[D)[D)[D)[D malzeme kanalı.

Transistörler için 2D malzeme çekici kılan Özellikler

İnceliğin ötesinde, birkaç fiziksel özellik, 2D materyali toplu yarı iletkenlerden ayırt eder ve onları özellikle bir sonraki nesil transistörler için uygun hale getirir.

Taşıyıcı Hareketliliği ve Ulaşım

Taşıyıcı hareketliliği - elektronların veya deliklerin bir elektrik alanı altında malzeme ile hareket ettiği hız - transistörler için birincil performans ölçümünü sağlar. Graphene, MoS2 ve WS2 gibi yüksek kapasiteli, 1-2 eV (similar silikona kadar) ancak daha düşük seferberliklerle (yaklaşık 10-200 cm) daha iyi bir şekilde çalışır.

Estatik Kontrol ve Kısa-Channel Etkileri

Kanal kalınlığı minimum olduğundan, 2D malzeme yakın bir şekilde sunulan, 0 (Bilim, 2016) ) - silikon ile ilgili kısa kanal etkilerini azaltır.

Mekanik Flexability ve Transparency

Monokatli malzemeler, kırık olmadan son derece küçük radii için iyileştirilebilir, esnek ve giyilebilir elektronik için ideal hale getirebilir. Çoğu 2D yarı iletkenler de optik olarak şeffaf, görüntülenen ekranlarda ve akıllı pencerelerde açılan uygulamalardır.

Heteroyapı Mühendisliği

Geleneksel yarı iletkenlerin aksine, her katmanın kendi elektronik veya fotonik fonksiyonunu birleştirebilmesi için en uygun şekilde ayarlanabilir.Bu tasarımcı malzemeler, van der Waals (vdW) güçlerle çarpıtılabilir.Bu, heteroyapıların inşasını atomik olarak keskin arayüzlerle sağlar.

2D Material-Based Transistors'da Trendleri

Son on yılda 2D transistörlere yapılan araştırmalar dramatik bir şekilde hızlandı. Birkaç farklı trend ortaya çıktı, her bir farklı cihaz gereksinimleri veya uygulama domainleri ele alındı. Aşağıda en önemli yolları araştırıyoruz.

1. Transition Metal Dichalcogenides (TMDs) için Mantık ve Hafıza

Transition metal dichalcogenides – transistör kanalları için en çok ince olan MX2 türün ucudur (MoS2) ve T, W, Re) ve X, bir chalcogen (S, Se, Tegap) – Molybdenum disulfide (MoS2) ve TIP (WSe2) en belirgin örnekleridir.

Son gelişmeler şunları içerir:

  • [FONT:0) Yüksek performanslı MoS2 FETs[DÜT:1] ile birlikte 108 ve alt üst düzeylerdeki hızlar, 60 mV/decade oda sıcaklığında 60 mV/decade, h-BN veya HfO2urFLT:2).
  • [FONT=0]Complementary logic devreleri [Döneticileri [Döneticileri) hem n-type MoS2 hem de C-type WSe2'yi dönüştürücüler, NAND kapıları ve SRAM hücreleri oluşturmak için.
  • [FONT:0]Negative-farklı-resistance (NDR) ve tünelleme transistasyon[DDD 1:0) TMD heteroyapılarına dayanan, ultra-düşük güç operasyonu için dik alt üst eğimler sunuyor.
  • [FONT:0]Non-volatile memory[Dönetici:0)Non-volatile memory[DD))[[Döneticileri ve ferroelektrik alan-t transistörleri (FeFETs) ile bir 2D yarı iletken kanalı bir şarj-trapping veya ferroelektrik kapısı yığını ile birleştirir.

Kalıcı bir meydan okuma, 2D kanal ve metal elektrotlar arasındaki düşük temas direnci elde etmektir. Van der Waals boşluk 100 ⁇ murFLT'nin altında bir tünel oluşturabilir.[değiştir | kaynağı değiştir] [Brekanallık Bismuth (Bi) veya antimony (Sb) gibi, yarı metal kaynaklı boşluk devletleri kontrol altına almak için, 100 ⁇ murFLT’nin altındaki kontaktları ile ilişkilendirebilir.

2. Van der Waals Heteroyapılar ve Katmanlı Kompozitler

Atom ölçekli Lego tuğlaları gibi farklı 2D malzemeleri toplama yeteneği, tamamen yeni bir elektronik cihazlar sınıfına yükselebildi ve bir vdW heteroyapıda, her katman belirli bir amaç için seçilebilir: bir TMD kanalı yarı iletken özellikler için, h-BN bir kapı dielektrik olarak, grafikte bir elektrot olarak ve başka bir TMD algılama veya ışık emisyonu için.

Heteroyapı tabanlı transistörlerdeki temel gelişmeler şunları içerir:

  • [FONT:0)Vertical alan- effect transistörleri (VFETs)[Döneticileri katmanlara doğru iten mevcut akışlar.Bu geometri, kanal uzunluğuna kadar son derece yüksek akım boşlukları ve hızlı geçiş hızlarını elde edebilir.
  • [FONT=0)Graphene/h-BN/TMD kapı yığınları[[DKD 1) düşük sızıntı ile yüksek hareketliliği bir araya getiren, transistimal alt özellikleri ile transistörlerin izin vermesine izin veren.
  • [FONT:0]Fotoğraf transistörler ve ışık-eating transistörler[[DD tabaka ışık arsadığı ve başka bir elektrik kazanılması, geleneksel fotodetektörlerin ötesindeki sorumluluğa ulaşmak için).
  • [FONT=0]Negative-kapı transistörleri [DD) CuInP2S6 gibi ferroelektrik 2D materyali kullanarak alttakileri azaltmak için 60 mV/decade, daha düşük gerilimlere geçiş sağlar.

vdW meclisinin esnekliği de araştırmacıların moiré superlattices gibi temel fizikleri incelemelerine olanak sağlar, üstolojik devletler ve eksiltme kondensasyonu - sonuçta tamamen yeni hesaplama paradigmalarına yol açabilir.

3. Esnek ve Giyilebilir Elektronik

2D materyallerin aşırı inceliği ve mekanik esnekliği onları bükme, uzatılması veya eğri yüzeylere uygun elektronik için ideal olarak uygun hale getirir.Felsepli transistörler, MoS2 veya grafikene'ye dayanan esnek transistörler plastik, kağıt ve hatta biyolojik substratlar üzerinde gösterilmiştir.

Esnek 2D transistörlerde ilerleme şunları içerir:

  • [FONT=0) Yüksek hızlı esnek FETs[[Dönetici:0)Gertz aralığındaki kesme frekansları ile elde edilen cihaz geometrisi ve güç mühendisliği aracılığıyla elde edilmiştir.
  • [FONT:0)Integrated Flex devreleri[[DD][/FONT][/FONT=0)Mantıklı esnek devreler [D][/FONT=0)
  • [FONT=0]Sürekli biyosensors[[DD))[D) · 1 ), metabolitleri veya biyomolecules, femtomolar seviyesine karşı duyarlılığa sahip, 2D materyallerin büyük yüzeysel oranıyla etkinleştirilir.
  • [FONT:0)Enerji-harvesting cihazları [DD transistörleri güç yönetimi için 2D transistörleri içeren esnek hücreler ve termoelektrik jeneratörleri gibi).

Bu gösterilere rağmen, zorluklar üretimde kalır - atom-katılım tabakaları ve değiştirilebilir filmlerin üniforması hala zordur - ve çevre oksijen ve nemden gelen malzemeleri korumak için enkapsülasyonda. Atom-katılım tabakaları ve laminatlar gibi son stratejiler önemli ölçüde gelişmiştir.

4. Beyond-CMOS Mantık için 2D Malzemeler

Geleneksel alan-son transistörlerinin ötesinde, 2D malzemeler uzun vadede CMOS'u ortaya çıkarabilir alternatif anahtarlama mekanizmaları için araştırılıyor.

Tünel Alanı-Effect Transistors (TFETs)

TFETs, 60 mV /decade. 2D heteroklik (ACS Nano, 2023) [D N2 Nano, 2023) [DD Sn I S S S S S S S S I I I S I I S S I S=2 S I S I S I I S I I I S I I S I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I

Spin Transistors

Güçlü spin-orbit darbesi ile 2D malzeme (örneğin, WTe2, NbSe2), değişkenleri enjekte etmek ve spin akımlarını tespit etmek için kullanılabilir. 2D spin alanı-son transistörlüğün çok düşük güç dağılımı ile mantık işlemlerine izin verir.

Nöromorfik ve Compute-in-Memory Cihazları

2D malzemelerde Memristive fenomenleri – dirençli geçiş ve sinaptik plastiklik gibi – beyin destekli hesaplamalar ve nöronlar için kullanılabilir yapay sinapslar ve nöronlar, MoS2, h-BN ve grafikene oksit, analog ağırlık güncellemelerini göstermiştir, jim-tim-yeterli plastikliği ve enerji tüketimi birkaç femtojoules kadar düşük olabilir.

5. Üretim ve İntegraler

2D transistörler için laboratuvar merakından ticari gerçeklike geçiş yapmak, ölçeklenebilir üretim süreçleri geliştirilmelidir. Birkaç umut verici yaklaşım takip edilmektedir:

  • [FONT:0)Chemical buhar (CVD)[D)[D)[CVD) [CVD) [CVD) [CVD) [Uygun TMDs on wafer-scale substratlar ( 8 inç wafers) gelişmiş üniforma ve azaltıcı yoğunluk ile.
  • [FONT:0]Layer transfer teknikleri[Dönder:0], vdW yığınlarının mikrometre aralığındaki uyum doğrulukla bir araya getirilmesine izin veren çuvallama tabakaları ve yapıştırıcı kasetleri kullanılarak).
  • [FONT:0) Cihazın substratları üzerindeki doğru büyüme[Dönetici: 1) nükleasyon ve büyüme koşullarını en aza indirmek için optimize ederek ve ısı bütçesini en aza indirmek için.
  • Silikon CMOS

IMEC 2D Malzeme Programı ve Avrupa Graphene Flagship gibi endüstri eksileri, şimdi 300 mm wafer ölçeğinde gösterilmiştir.

Meydanlar ve Future Outlook

Olağanüstü ilerlemeye rağmen, 2D materyal tabanlı transistörlerin ana elektronikte silikonla rekabet etmesi gerekir.

Büyük-Scale, Yüksek kaliteli Synthesis

MoS2 ve grafikene'nin CVD büyümesi gelişmişken, sonuçlar elde edilen filmler hala tahıl sınırları, nokta hataları ve kalınlıkları olmayan cihazlar performans ve verim. Bu degrad cihazı performansı ve veri toplama yöntemleri. büyük alanlarda büyüyen tek kristal 2D filmlerin kullanımı için yöntemlere ihtiyaç vardır, muhtemelen epit aksiyel tohumlama veya erime süreçleri ile.

Direniş ve Doping

De ki: Metal-2D arayüzü kalıcı bir şişenck. Schottky bariyerler ve Fermi- Seviye pinning limit mevcut enjeksiyonu. Roman kontak metaluries, onik kapılar kullanarak elektrostatik doping ve organik moleküllerden transfer tüm keşfedilmeler ortaya çıktı, ancak evrensel bir çözüm ortaya çıktı.

Kapı Dielektrik Entegrasyonu

HfO2 veya Al2O3 gibi yüksek dielektrikler genellikle kötü nükleksiyondan muzdariptir, vdW dielektriklerini kullanarak bu problemden kaçınır, ancak henüz ölçeklenebilir değildir. Hybrid yaklaşımlar - ALD metal oksit tarafından takip edilen bir monokat - umut verici sonuçlar gösterir.

Stability and Reliability

Birçok 2D malzeme, ortam koşullarından yoksundur (örneğin, siyah fosfor) bile yüksek sıcaklıklarda oksite olabilir.Sampsulation with h-BN or ALDoxys help, but long-term reliable under elektrik stres altında uzun vadeli güvenilirlik kötü anlaşılmıştır.

Mevcut Altyapı ile entegrasyon

Yarı iletkenlik silikon için optimize edilmiş bir trilyon dolarlık ekosistemdir. Yeni bir malzeme platformu tanıtmak sadece cihaz seviyesindeki ilerlemeler değil aynı zamanda uyumlu lithografi, etching, deposition ve metroloji süreçleridir. 2D malzemeler genellikle kimyasallara duyarlıdır, plazma hasara ve yüksek sıcaklıklara sahiptir, yeni işlem akışlarına ihtiyaç duyar.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

İki boyutlu malzemeler yarı iletken araştırmadaki en heyecan verici sınırlardan birini temsil eder. Atom incelik, üstün elektrostatik kontrol ve eşsiz esneklik, kapıyı fiziksel ölçeklendirme limitinde çalıştırabilir, aynı zamanda tamamen yeni cihaz konseptlerine izin verirken - burada açıklanan eğilimlerden -TMD kanal mühendisliği, van der Waals heteroyapıları, esnek elektronik ve daha güçlü araştırmaların ötesinde - tüm aktif alanları.

Emin olmak için, ticarileşmenin yolu uzundur. Üretim zorlukları, temas direnci, dielektrik entegrasyonu ve istikrar sorunları, performans veya esneklik açısından önemli. Temel malzemelerde bilimsel ve endüstriyel süreç geliştirmede sürekli yatırımla, 2D malzeme tabanlı transistörler bir sonraki yarı iletken teknolojinin temel bileşeni haline gelebilir, performans veya esnekliklerin önemli ölçüde artacaktır.

Araştırmacılar ve mühendisler için, bu gelişmeler hakkında bilgi sahibi olmak önemlidir. Önümüzdeki on yıl önce 2D transistör içeren ilk ticari ürünleri görecek - veri merkezleri için ultra verimli mantık fişlerinden ölçeklendirmek ve tıbbi implantlar için ayarlama - birkaç yıl önce elektronik hayal kırıklığına uğratmak için.