Les tranches épitaxiales multicouches MoS2 promettent des transistors hautes performances

Les tranches épitaxiales multicouches MoS2 promettent des transistors hautes performances

Épitaxie couche par couche de tranches 4 pouces MoS2 multicouches de haute qualité. Crédit : Institut de physique

Semi-conducteurs bidimensionnels (2D), tels que le bisulfure de molybdène (MoS2), offrent des opportunités sans précédent pour résoudre le goulot d’étranglement de la mise à l’échelle des transistors et pour construire de nouveaux circuits logiques avec des vitesses plus rapides, une consommation d’énergie réduite, une flexibilité et une transparence, bénéficiant de leur épaisseur ultra-mince, de leur surface plane sans liaison pendante et d’une excellente contrôlabilité de grille.

Des efforts considérables ont été consacrés à l’exploration des potentiels à grande échelle du MoS monocouche2, comprenant à la fois la synthèse à l’échelle d’une plaquette de matériaux de haute qualité et de dispositifs à grande surface. Par exemple, MoS monocouche à l’échelle d’une tranche de quatre pouces2 avec de grandes tailles de domaine (jusqu’à ~ 300 μm) et une qualité électronique record (mobilité moyenne par effet de champ de ~ 80 cm2·V-1·s-1) a déjà été démontré via la croissance épitaxiale de van der Waals.

En termes d’amélioration supplémentaire de la qualité électronique du MoS monocouche à grande échelle2, les imperfections structurelles doivent être éliminées autant que possible ; cependant, il ne reste plus beaucoup de place pour le MoS monocouche2 après dix ans d’optimisations de synthèse dans ce domaine. Une autre direction clé est de passer au MoS multicouche2, par exemple, les bicouches et les tricouches, car elles ont une qualité électronique intrinsèquement supérieure à celle des monocouches et sont donc propices à des dispositifs et des circuits logiques plus performants. Cependant, en raison de la limitation fondamentale de la thermodynamique, la réalisation de MoS multicouches à l’échelle d’une tranche reste un défi de taille.2 avec une uniformité de haute qualité et à grande échelle.

Récemment, le groupe de Zhang Guangyu de l’Institut de physique de l’Académie chinoise des sciences (CAS) a surmonté les limites fondamentales de la thermodynamique en exploitant l’effet de proximité d’un substrat de saphir (0001) et a obtenu, pour la première fois, la croissance de hautes – MoS multicouche de qualité2 tranches de quatre pouces via le processus d’épitaxie couche par couche. L’épitaxie conduit à des ordres d’empilement bien définis entre les couches épitaxiales adjacentes et offre un contrôle délicat du nombre de couches jusqu’à six.

Les résultats ont été publiés dans Examen scientifique national.

Les tranches épitaxiales multicouches MoS2 promettent des transistors hautes performances

Qualité électronique de référence des MoS multicouches2 transistors à effet de champ. Crédit : Institut de physique

Par rapport aux monocouches, MoS à couche plus épaisse2 les transistors à effet de champ montrent des améliorations significatives dans les performances de l’appareil. Pour les appareils à long canal (longueur de canal de cinq à 50 μm), la mobilité moyenne par effet de champ à température ambiante peut augmenter de ~ 80 cm2·V-1·s-1 pour les monocouches jusqu’à ~110/145 cm2·V-1·s-1 pour les dispositifs bicouche/tricouche, amélioré de 37,5 % / 81,3 %.

Considérant que, dans les transistors à couches minces (TFT) bien développés, la mobilité à effet de champ est de 10 à 40 cm2·V-1·s-1 pour les TFT à l’oxyde d’indium–gallium–zinc et 50–100 cm2·V-1·s-1 pour les TFT en silicium polycristallin à basse température, l’excellente mobilité moyenne par effet de champ de> 100 cm2·V-1·s-1 découvre fortement un grand potentiel de MoS bi- et tri-couche2 films pour applications TFT hautes performances.

De plus, pour le MoS tricouche2 transistors à effet de champ, la mobilité à température ambiante la plus élevée peut atteindre jusqu’à 234,7 cm2·V-1·s-1établissant un nouveau record de mobilité pour les dispositifs basés sur des semi-conducteurs de sulfure de métal de transition 2D.

Pour les appareils avec une longueur de canal de 100 nm, la densité de courant (Vdès=1 V) passe de 0,4 mA·μm-1 pour monocouche jusqu’à 0,64/0,81 mA·μm-1 pour bicouche/tricouche, montrant un facteur d’amélioration de 60 % / 102,5 %. Remarquablement, pour les dispositifs à canal court de 40 nm, des densités de courant record de 1,70/1,22/0,94 mA/μm à Vdès=2/1/0,65 V, ainsi qu’un rapport marche/arrêt élevé supérieur à 10septsont réalisés en MoS tricouche2 transistors à effet de champ.

Une telle densité de courant élevée de MoS tricouche2 appareils surpassent les MoS de pointe précédents2 transistors et dépasse également l’objectif des transistors logiques hautes performances de la feuille de route internationale pour les dispositifs et les systèmes 2024, se rapprochant un peu plus des applications pratiques du MoS 2D2 dans les circuits électroniques et logiques à des nœuds inférieurs à cinq nm.


Au-delà de van der Waals : la prochaine génération d’hétérostructures covalentes 2D-2D


Plus d’information:
Qinqin Wang et al, Épitaxie couche par couche de plaquettes MoS2 multicouches, Examen scientifique national (2022). DOI : 10.1093/nsr/nwac077

Fourni par l’Académie chinoise des sciences

Citation: Les tranches épitaxiales multicouches MoS2 promettent des transistors hautes performances (13 juin 2022) récupéré le 13 juin 2022 sur https://techxplore.com/news/2022-06-epitaxial-multilayer-mos2-wafers-high-performance.html

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