许多问题是否2 d表面材料的最佳选择极端的扩展,到目前为止很少有答案。
自2004年石墨烯的隔离,二维半导体的高流动性和独特的输运性质吸引物理学家和材料学家组成的。他们的平面载体运输和缺乏悬空债券可能会减少线/边缘散射和其他极端比例的影响。
虽然二维材料不能与硅在当前设备尺寸,他们的表现可能会降低少很快随着特征尺寸缩小。根据Iuliana拉杜,distingished成员的技术人员Imec、二维半导体为sub-15纳米设备可能是唯一的选择。
但二维半导体还提供了一个生动的演示模拟和实验之间的巨大的差距,并从那里的设备可以使用现有的工厂制造的数十亿的基础设施。没有明确的路径一致的制造二维单晶,拉杜说。也没有明确的整合路径来实现稳定、可重复的设备性能,或掺杂等基本操作过程记录和联系的形成。
范德瓦尔斯力构建纳米栈板
二维设备发展的障碍首先制造的材料。通过机械剥离石墨烯中首次分离出来,一个相当粗糙的过程从单一层的大块样品使用胶带。扩展该方法固有的困难到数百,数十亿的设备较少,应该是显而易见的。
另一个选择,电化学夹层,浸润惰性分子化学汽相淀积薄膜,化学隔离顶层而继续使用机械支撑的衬底。另一个取决于原子层沉积的个人层,其次是一个钝化层。逐层沉积方法可以用来构造范德瓦耳斯异质结构,堆栈由范德华力结合在一起在每一层保留其二维字符。
范德瓦耳斯异质结构的特性依赖于层数,其成分,以及它们之间的扭转角,给设计师广泛纬度达到他们想要的行为。尤其是扭转角可以用来实施远程没有三维晶体结构的周期性。
此外,正如证明多层金属氧化物半导体2单层膜,层数可定义的能带结构。衬底的热膨胀系数和单独的层可以通过调优控制压力,进一步调整电气性能。
在构建这种结构时,重要的是要记住,二维半导体不是一个单一的材料,但整个类的化合物。传统III-V和族化合物半导体与硅分享许多结构和电特性,锗和彼此。所以材料科学家可以改变半导体的作文需要调整带隙,晶格参数,和其他属性没有戏剧性的变化对整个集成方案。
二维半导体,相比之下,来自不同地方的元素周期表。他们有不同的电特性,不同的晶格结构,和不同的化学特征。
对二维设备
例如,黑磷提供机动性高,但它在空气和水都是不稳定的。研究人员试图将其需要层transfer-based制造技术为一种美德,指出低温过程减少热膨胀的影响,半导体和衬底晶格不匹配。
尼古拉•奥利瓦格洛桑联邦理工研究生和他的同事们转移剥落了黑磷与嵌入式准备衬底银或金电极,然后用氮化硼钝化结构之后,一个基地2O3介质。在这些设备中,功函数确定门极性接触,用金接触有利于孔和银支持电子。
门和漏极电压可以用来调节费米能级和乐队对齐。性能是有前途的,70 mV /十年的亚阈值摆。但大量制造这种设备肯定会是一个挑战。
氮化硼,用作钝化层黑磷和作为石墨烯的掺杂剂,也吸引了注意力作为二维半导体本身。一组沉积六角氮化硼直接到钴和铁电极。在这样的磁隧道结自旋电子学的基石,hBN作为钴和铁之间的隧道势垒。切换磁域的极性改变隧穿势垒的高度,导致设备像磁力仪。
最后一组二维半导体、dichalcogenides相当稳定,可以制造化学汽相淀积等相对成熟的过程。不幸的是,塔伦Agarwal,苏黎世联邦理工学院博士后研究员,连同Imec的研究员,在去年的IEDM报道,这些材料是相对贫穷的仿真结果,与低流动性和低驱动电流。有竞争力的设备可能需要基于栈nanosheets而不是单独的层。
在其他多层纳米板设备,层数,堆栈的组件,堆栈中所有导致设备的内部结构特征。在硅的情况一样,双栅设备提供更好的静电学和电流比单扇设备。
结论
甚至这个简单的调查提出了尽可能多的问题的答案:二维半导体器件的商业前景。然而Imec的拉解释说,该行业似乎没有一个选择。“可能,选择二维半导体是改变计算范例,”她说。
III-V半导体的有效质量越低意味着直接source-drain隧道就在硅栅长度超过一个问题。当前量子点提供很少,限制他们的通用逻辑的可行性。虽然二维材料构成挑战,拉杜说,“有很多事情我们还没有想出如何做,但我们没有看到任何根本性障碍。”
她预计任何商业应用的材料可能是至少十年时间。5纳米设备,决策点可能是五六年了。她预计要花那么多时间的行业理解二维材料的比例限制,找到一个现实的商业化之路。
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有今天商业石墨烯纳米技术研究人员以外的电子产品卖给客户,和石墨烯用于商业晶圆厂的产品。即便如此,Imec服务的“研发”市场仍占主导地位。
从的角度使用石墨烯产品设计师,这个演讲的不清楚景观似乎回头看,而不是向前。基础研究阶段应该结束,是时候我们在与商业系统的集成工作。
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