Le phosphore donne le ton dans les transistors hautes performances

Les semi-conducteurs au phosphore ultrafins qui deviennent métalliques lorsqu’ils sont empilés peuvent résoudre les problèmes de résistance et améliorer les performances des transistors.

Une forme bleue de phosphore ultra-mince récemment découverte – avec des propriétés électroniques qui peuvent être ajustées pour améliorer l’injection de porteurs de charge (chargés négativement et positivement) dans les transistors – devrait faire avancer les appareils électroniques de nouvelle génération.

Les semi-conducteurs bidimensionnels, tels que le graphène et les dichalcogénures de métaux de transition, devraient entraîner la miniaturisation des dispositifs électroniques en fournissant des canaux actifs ultrafins pour le transport des porteurs de charge dans les transistors à effet de champ (FET).

Essentiels aux circuits modernes, les FET sont utilisés pour influencer le flux de courant à travers leurs canaux par la tension appliquée et se comportent comme des commutateurs ou des amplificateurs à commande électronique. Cependant, une résistance électrique apparaît aux interfaces entre les canaux semi-conducteurs et les électrodes métalliques. Cela limite l’injection de charge dans les dispositifs et empêche les FET d’atteindre leur plein potentiel.

“La réduction de cette résistance de contact améliorera la capacité de livraison actuelle et améliorera les performances des FET, ce qui ouvrira la voie à la future microélectronique”, déclare Shubham Tyagi, titulaire d’un doctorat. étudiant dans le groupe d’Udo Schwingenschlögl.

Maintenant, l’équipe de Schwingenschlögl a conçu un FET sans jonction utilisant le phosphorène bleu bidimensionnel récemment découvert comme matériau électroactif unique. Le phosphorène bleu lui-même est un semi-conducteur mais devient un métal lorsqu’il est empilé dans une bicouche.

“La capacité du phosphorène bleu à modifier ses propriétés électroniques en fonction de l’empilement est cruciale pour notre appareil”, déclare Tyagi. “Une fois que nous avons obtenu une orientation cristalline qui offre une mobilité élevée des porteurs à travers le canal, nous étions convaincus que nous obtiendrions des résultats positifs car la résistance de contact est prise en compte par la conception sans jonction”, ajoute-t-il.

Au cœur du dispositif sans jonction se trouve une monocouche de phosphorène bleu qui, agissant comme un canal, se situe entre deux bicouches de phosphorène bleu métallique qui fonctionnent comme des électrodes. Le canal et les électrodes sont constitués du même matériau, ce qui donne une structure continue, réduisant ainsi la résistance.

À l’aide de simulations informatiques, les chercheurs ont étudié le transport quantique dans la conception FET proposée pour deux directions différentes : fauteuil et zigzag. Dans les deux configurations, le FET a efficacement assuré le transfert d’électrons entre le canal et les électrodes tout en répondant aux critères de commutation et d’amplification. Il a surpassé les appareils utilisant d’autres matériaux bidimensionnels, tels que le phosphorène noir et le bisulfure de molybdène monocouche.

“A l’avenir, nous souhaitons aborder différentes manières d’améliorer les performances du FET”, déclare Tyagi.

Les chercheurs travaillent à réduire les fuites de courant entre la grille du transistor et les électrodes en utilisant des matériaux de van der Waals, constitués de feuilles maintenues ensemble par de faibles interactions. Ils explorent également des moyens d’étendre leurs idées aux matériaux magnétiques pour développer des dispositifs spintroniques.

L’étude est publiée dans la revue npj Matériaux et applications 2D.