Les matériaux 2D améliorent les performances des transistors de type P, ouvrant la voie aux technologies futures

Après avoir dominé l’industrie électronique pendant des décennies, les transistors conventionnels à base de silicium approchent progressivement de leurs limites, ce qui empêche les ingénieurs de réduire davantage leur taille sans affecter leurs performances. Pour continuer à faire progresser les ordinateurs portables, les téléphones intelligents et autres appareils, les chercheurs ont donc exploré le potentiel des transistors basés sur des matériaux bidimensionnels (2D).

Des chercheurs de la Penn State University (PSU), dirigés par le Dr Saptarshi Das, professeur Ackley de sciences de l’ingénierie et de mécanique, ont développé des transistors à effet de champ (FET) de type p hautes performances basés sur des matériaux 2D. Ces transistors, présentés dans un article publié dans Électronique naturelleont été créés via une stratégie de fabrication qui exploite le dopage et le contrôle de l’épaisseur de deux matériaux 2D, à savoir le diséléniure de molybdène (MoSe2) et le diséléniure de tungstène (WSe2).

« Pour surmonter les limites des semi-conducteurs à base de silicium et soutenir les progrès, l’industrie doit passer à des semi-conducteurs alternatifs et durables », a déclaré Mayukh Das, premier auteur de l’article, à Phys.org. « Les chalcogénures de métaux de transition (TMD) 2D sont un candidat prometteur, qui offre le potentiel d’atteindre une efficacité informatique élevée tout en maintenant une faible consommation d’énergie. »

Le silicium possède des propriétés hautement ajustables, particulièrement avantageuses pour le développement de l’électronique. En introduisant des impuretés, processus appelé dopage, les transistors à base de silicium peuvent devenir déficients en électrons (type p) ou riches en électrons (type n), permettant ainsi la création de circuits logiques complémentaires.

« Les transistors à effet de champ métal-oxyde-semi-conducteur (MOSFET) constituent l’épine dorsale de l’informatique moderne grâce à la technologie complémentaire métal-oxyde-semi-conducteur (CMOS) », a déclaré Das.

« Cependant, la réplication de la logique CMOS à l’aide de TMD 2D présente un défi de taille : l’absence d’un bon MOSFET 2D de type p comparable à leurs homologues de type n. Contrairement au silicium, qui peut être chimiquement modifié par dopage, les TMD 2D présentent intrinsèquement soit un type n, soit un type n. ou des caractéristiques de type P dans leur forme vierge en raison de l’épinglage du niveau de Fermi métallique près du bord de la bande de conduction ou de la cantonnière.

Bien que les ingénieurs aient développé divers transistors de type N très performants basés sur des TMD 2D, les transistors de type P basés sur ces matériaux n’ont pas encore atteint des performances comparables. Cet écart de performances a jusqu’à présent entravé l’utilisation à grande échelle de ces transistors pour le développement de dispositifs microélectroniques.

« Relever ce défi est essentiel pour permettre la transition du silicium vers les TMD 2D, répondant ainsi à la demande de calculs économes en énergie et hautes performances à une époque de plus en plus axée sur l’intelligence artificielle (IA) », a déclaré Das.

« Ce besoin pressant a motivé nos recherches. Au lieu d’attendre la découverte d’un TMD 2D de type p très performant, nous avons poursuivi une stratégie de conception pratique en employant le dopage substitutionnel, une méthode éprouvée pour améliorer les performances électriques. »

L’équipe a adapté des stratégies de conception basées sur le dopage, en les appliquant à la fabrication de FET de type p basés sur des matériaux 2D. Pour améliorer les performances de leurs FET de type p, les chercheurs ont réduit un paramètre appelé résistance de contact (RC), connu pour dégrader le courant dans les transistors lorsqu’ils sont à l’état passant.

« Une stratégie de dopage substitutionnel dégénéré, sélectivement à proximité des contacts, a été couramment mise en œuvre dans les transistors à base de Si pour réduire le RC », a expliqué Das.

« Le corps relativement non dopé ou moins dopé du dispositif en Si a permis d’obtenir un bon contrôle électrostatique, c’est-à-dire un bon rapport ON/OFF. Cependant, la méthode de dopage spatial de certaines régions du canal du transistor n’est possible que dans les dispositifs en Si massif. »

Le dopage spatial de certaines régions de canaux dans des transistors basés sur des TMD est un défi. Comparés au silicium, ces matériaux sont constitués de couches d’atomes empilées. Pour créer leurs transistors, les chercheurs ont d’abord tenté de concevoir une nouvelle stratégie leur permettant d’y parvenir.

« Dans nos MOSFET (FET métal-oxyde-semi-conducteur) hautes performances de type p, nous contournons ces défis en utilisant un canal TMD 2D uniformément dopé (cristal MoSe2 dopé au Nb) et en ajustant son efficacité de dopage à proximité des interfaces canal-contact. par rapport à la région intermédiaire », a déclaré Das.

« Le dopage hautement efficace à proximité des contacts permet une injection facile des porteurs dans le canal, ce qui entraîne un courant passant élevé dans le transistor, tandis que le dopage moins efficace entre les contacts maintient un bon contrôle électrostatique dans le dispositif MOSFET 2D. »

En raison de leur conception sous-jacente, les MOSFET fabriqués par les chercheurs ont un courant ON élevé et peuvent également être allumés et éteints facilement. Le canal des transistors est constitué de MoSe2 multicouche dopé au Nb, un TMD semi-conducteur 2D.

« Les TMD multicouches sont particulièrement différents de leur forme massive dans la mesure où il n’y a pas de véritables liaisons chimiques (hors plan) entre deux couches atomiques adjacentes », a déclaré Das. « Au lieu de cela, deux couches adjacentes sont maintenues ensemble par de faibles forces de Van der Waals, ce qui permet un empilement transparent de plusieurs films monocouches les uns sur les autres. »

Pour mettre en œuvre leur nouvelle stratégie de conception, les chercheurs ont exploité un phénomène connu sous le nom de confinement quantique. Cet effet réduit généralement l’efficacité des dopants dans les TMD multicouches avec peu de couches atomiques empilées (c’est-à-dire 1 à 3), par rapport au même matériau avec plus de couches empilées (c’est-à-dire 4 à 6).

« Ce phénomène a été corroboré par la simulation de la théorie fonctionnelle de la densité (DFT) de la structure de la bande d’énergie MoSe2 lorsqu’elle est dopée de manière dégénérative avec du Nb dopant de type p », a déclaré Das.

« Sur la base de la compréhension de ces simulations, nous avons proposé notre conception MOSFET unique qui comporte des régions de canal épaisses (4 à 6 couches) sous les contacts pour réduire la résistance de contact et des régions de canal minces (1 à 3 couches) entre les contacts de source et de drain. pour un effet dopant réduit. »

L’approche utilisée par cette équipe de chercheurs réduit non seulement le RC, mais améliore également le contrôle de grille électrostatique de leurs transistors, ce qui se traduit par de bons courants ON/OFF et ON élevés observés. Les couches de MoSe2 dopées au Nb dans leurs transistors ont été cultivées via une méthode connue de transport de vapeur chimique (CVT), qui a été développée par le collaborateur de l’équipe, le Dr Sofar Zdenek de l’Université de chimie et de technologie de Prague.

« Pour fabriquer ces dispositifs, nous avons exfolié des cristaux épais (4 à 6 couches) de ces MoSe2 dopés au Nb sur un substrat de porte arrière avec 50 nm d’Al2O3 comme diélectrique », a déclaré Das.

« Après avoir défini les contacts par lithographie par faisceau électronique, nous avons déposé du métal de contact Pd sur le MoSe2 dopé par évaporation par faisceau électronique pour former les dispositifs. Les dispositifs ont ensuite été exposés à un traitement doux au plasma d’oxygène pour oxyder la couche supérieure de MoSe2 en MoOX – un oxyde de Mo soluble dans l’eau.

La zone située sous les contacts des transistors a été protégée du traitement plasma et n’a donc pas été oxydée. Les chercheurs ont ensuite éliminé le MoOX restant dans leur appareil en le rinçant à l’eau déminéralisée.

« Cette étape de traitement au plasma d’oxygène suivie par de l’eau DI a été répétée plusieurs fois pour affiner la région médiane du canal et obtenir la structure MOSFET proposée », a expliqué Das. « Notez que chaque étape de traitement au plasma d’oxygène n’élimine sélectivement qu’une seule couche atomique du canal TMD. Grâce à cette stratégie, nous avons pu atteindre un courant passant de 85 µA/um avec un rapport ON/OFF de 104. »

L’équipe a combiné la nouvelle stratégie de conception développée avec des méthodes bien connues pour améliorer les performances des appareils. Par exemple, ils ont redimensionné les canaux en combinant la géométrie à double grille et l’ingénierie du travail du transistor. Cela leur a permis d’atteindre un courant ON encore plus élevé de 212 µA/um, ce qui représente l’un des chiffres les plus élevés signalés pour les FET 2D de type p.

« Cela impliquait la fabrication d’un dispositif de canal à l’échelle de 50 nm sur un oxyde de porte arrière Al2O3 de 25 nm, suivi de traitements au plasma d’oxygène pour mettre en œuvre notre conception de régions de contact plus épaisses et de régions de canal intermédiaire plus minces », a déclaré Das.

« D’autres étapes de fabrication impliquant le dépôt ALD de 20 nm d’Al2O3 comme diélectrique de grille supérieure et l’évaporation de Ni par faisceau E pour former les contacts de grille supérieure. Le métal de contact de grille supérieure Ni et le métal de contact de grille arrière Pt ont été choisis en raison de leur fonction de travail élevée. « 

Lorsqu’elle est appliquée aux TMD 2D, la nouvelle stratégie de dopage utilisée par cette équipe de chercheurs surmonte les limites des méthodes de dopage précédemment introduites et bien établies. Au final, cela permet une bonne injection du porteur et un meilleur contrôle électrostatique sur les matériaux.

« Un aspect unique de notre stratégie de conception est qu’elle peut être mise en œuvre pour fabriquer à la fois des n-FET hautes performances et pas seulement des p-FET », a déclaré Dipanjan Sen, co-premier auteur de l’article.

« Il suffit de remplacer le dopant Nb de type p par un atome de dopant de type n dans la même architecture de dispositif pour obtenir un MOSFET de type n hautes performances. Le processus de fabrication, y compris l’étape de plasma d’oxygène de réduction de la couche médiane du canal, est simple. et a suffisamment de mérite pour réaliser des démonstrations au niveau circuit de MOSFET complémentaires de type n et p.

La conception des transistors et la stratégie de dopage introduites par l’équipe pourraient contribuer au développement de circuits électroniques plus rapides et plus économes en énergie basés sur des semi-conducteurs 2D. Les MOSFET de type p créés grâce à leur approche ont déjà atteint une valeur de courant ON remarquable de 212 µA/um avec un rapport ON/OFF de 104, qui pourrait encore être améliorée à l’avenir.

« Notre travail confirme également l’importance de considérer les films TMD 2D multicouches comme matériau de canal pour la future électronique basée sur des matériaux 2D comme une contre-alternative aux matériaux TMD monocouches », a déclaré le sénateur.

« À l’avenir, cela pourrait également encourager davantage de recherches sur la croissance de films TMD 2D dopés à grande surface par des méthodes de croissance avancées telles que le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) et le dépôt chimique en phase vapeur organométallique (MOCVD). »

Dans leurs prochaines études, les chercheurs prévoient également d’améliorer encore l’évolutivité de leurs transistors. Par exemple, ils pourraient utiliser des matériaux TMD 2D multicouches cultivés par CVD sur de grandes surfaces, par opposition à des flocons exfoliés.

« Ces efforts futurs nous aideront à réaliser des circuits utilisant ces MOSFET de type p », a ajouté Das.

« Il existe un défi lié à l’étendue de l’incorporation de dopants dans le réseau TMD 2D au cours de la croissance de CVD sur de grandes surfaces, qui nécessite une optimisation substantielle. D’autres défis tels que l’ingénierie des seuils et la variation de dispositif à dispositif nécessitent des efforts substantiels de la part de la recherche sur les dispositifs. Minimiser la variation de dispositif à dispositif pourrait aident également à réaliser des démonstrations de circuits logiques utilisant ces transistors.

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