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研究發(fā)現(xiàn)六方氮化硼并不適合用作微型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的絕緣體

信息來源:本站 | 發(fā)布日期: 2021-03-15 12:55:31 | 瀏覽量:943867

摘要:

幾十年來,微電子技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是晶體管越來越小,越來越緊湊。石墨烯等二維材料在這里被視為希望的燈塔:它們是可能存在的最薄的材料層,只由一個(gè)或幾個(gè)原子層組成,但是,它們可以傳導(dǎo)電流。另一方面,如果硅層變得太薄,傳統(tǒng)的硅技術(shù)就不能正常工作。然而,這類材料不…

幾十年來,微電子技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是晶體管越來越小,越來越緊湊。石墨烯等二維材料在這里被視為希望的燈塔:它們是可能存在的最薄的材料層,只由一個(gè)或幾個(gè)原子層組成,但是,它們可以傳導(dǎo)電流。另一方面,如果硅層變得太薄,傳統(tǒng)的硅技術(shù)就不能正常工作。
然而,這類材料不能在真空中使用;它們必須與適當(dāng)?shù)慕^緣體結(jié)合,以將它們與不必要的環(huán)境影響隔離開來,并通過所謂的場(chǎng)效應(yīng)來控制電流的流動(dòng)。到目前為止,六方氮化硼(hBN)由于為二維材料提供了良好的應(yīng)用環(huán)境而被廣泛應(yīng)用。然而,TU-Wien與蘇黎世ETH、俄羅斯Ioffe研究所以及沙特阿拉伯和日本的研究人員合作進(jìn)行的研究表明,與先前的假設(shè)相反,薄的hBN層不適合作為未來小型化場(chǎng)效應(yīng)晶體管的絕緣體,因?yàn)闀?huì)出現(xiàn)過高的漏電流。因此,如果二維材料真的要徹底改變半導(dǎo)體工業(yè),人們就必須開始尋找其他絕緣體材料。這項(xiàng)研究已經(jīng)發(fā)表在科學(xué)雜志《自然電子學(xué)》上。
被認(rèn)為是完美的絕緣體材料
“乍一看,六方氮化硼比其他絕緣體更適合石墨烯和二維材料?!痹撗芯康牡谝蛔髡咛乩傥鱽啞ぶZ布洛赫說,就像2D半導(dǎo)體材料一樣,hBN由單獨(dú)的原子層組成,這些原子層之間的結(jié)合很弱。因此,hBN可以很容易地用來制造原子光滑的表面,而不會(huì)干擾電子通過2D材料的傳輸。因此,你可能認(rèn)為hBN是一種完美的材料,既可以作為放置薄膜半導(dǎo)體的襯底,也可以作為制造場(chǎng)效應(yīng)晶體管所需的柵絕緣體?!?



漏電流小影響大



晶體管只能比作水龍頭而不是水流,電流是開和關(guān)的。與水龍頭一樣,對(duì)晶體管來說,閥門本身沒有泄漏是非常重要的。



這正是柵極絕緣體在晶體管中所起的作用:它將控制電極與半導(dǎo)體通道本身隔離開來,通過控制電極可以打開和關(guān)閉電流,然后電流通過半導(dǎo)體通道流動(dòng)。一個(gè)現(xiàn)代微處理器包含大約500億個(gè)晶體管,所以即使是門極上的一點(diǎn)電流損耗也可以發(fā)揮巨大的作用,因?yàn)樗@著地增加了總能耗。



在這項(xiàng)研究中,研究小組通過實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算研究了流過薄hBN層的泄漏電流。他們發(fā)現(xiàn),使hBN成為合適襯底的一些特性也顯著增加了通過hBN的漏電流。氮化硼的介電常數(shù)很小,這意味著這種材料與電場(chǎng)的相互作用很弱。因此,微型晶體管中使用的hBN層必須只有幾個(gè)原子層厚,這樣?xùn)艠O的電場(chǎng)才能充分控制溝道。然而,與此同時(shí),在這種情況下,泄漏電流變得過大,因?yàn)楫?dāng)減小層厚度時(shí),泄漏電流呈指數(shù)增長。



尋找絕緣體



“我們的結(jié)果表明,hBN不適合作為基于2D材料的小型晶體管的柵絕緣體。”Tibor Grasser說這一發(fā)現(xiàn)對(duì)今后的研究具有重要的指導(dǎo)意義,但它只是為最小的晶體管尋找合適絕緣體的開始。目前,沒有任何已知的材料體系能夠滿足所有要求,但找到合適的材料體系只是時(shí)間和資源問題。



特雷西亞·諾布洛赫?qǐng)?jiān)信:“這個(gè)問題很復(fù)雜,但這使得許多科學(xué)家致力于尋找解決方案變得更加重要,因?yàn)槲覀兊纳鐣?huì)在未來將需要小型、快速、最重要的是節(jié)能的計(jì)算機(jī)芯片?!?br />

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