Nouveaux transistors intégrant des oxydes pérovskites high-k et des semi-conducteurs 2D

Nouveaux transistors intégrant des oxydes pérovskites high-k et des semi-conducteurs 2D

Une illustration schématique de l’approche de l’équipe. L’image montre que l’intégration de deux types de matériaux très dissemblables avec des fonctionnalités uniques pourrait permettre de futurs appareils électroniques. Sur la photo, le cristal orange a une structure pérovskite, qui représente les matériaux SrTiO3 high-k. Les deux couches de matériaux sous le SrTiO3 représentent le MoS2. En intégrant les deux types de matériaux à l’aide des forces de van der Waals, une interface fonctionnelle pourrait être utilisée comme élément de base des futurs dispositifs logiques. Crédit : Yang et al.

Au cours des dernières décennies, les ingénieurs en électronique et les spécialistes des matériaux du monde entier ont étudié le potentiel de divers matériaux pour fabriquer des transistors, des dispositifs qui amplifient ou commutent les signaux électriques dans les dispositifs électroniques. Les semi-conducteurs bidimensionnels (2D) sont connus pour être des matériaux particulièrement prometteurs pour la fabrication des nouveaux dispositifs électroniques.

Malgré leurs avantages, l’utilisation de ces matériaux en électronique dépend fortement de leur intégration avec des diélectriques de bonne qualité, des matériaux isolants ou des matériaux peu conducteurs du courant électrique. Ces matériaux peuvent cependant être difficiles à déposer sur des substrats semi-conducteurs 2D.

Des chercheurs de l’Université technologique de Nanyang, de l’Université de Pékin, de l’Université Tsinghua et de l’Académie des sciences de l’information quantique de Pékin ont récemment démontré l’intégration réussie du titrate de strontium monocristallin, un oxyde de pérovskite à κ élevé, avec des semi-conducteurs 2D, en utilisant les forces de van der Waals. Leur article, publié dans Électronique naturellepourrait ouvrir de nouvelles possibilités pour le développement de nouveaux types de transistors et de composants électroniques.

“Notre travail s’est principalement inspiré d’un article de Matériaux naturels publié en 2016 », ont déclaré à TechXplore Wang Xiao Renshaw et Allen Jian Yang, deux des chercheurs qui ont mené l’étude. « Cet article a introduit une approche intelligente des films de pérovskite monocristallins autoportants, qui étaient généralement considérés comme des céramiques fonctionnalités riches. Cette approche offre la possibilité de transférer ces matériaux sur des substrats arbitraires et de les intégrer à divers matériaux.”

En tant que l’un des oxydes de pérovskite les plus prometteurs, SrTiO3 présente une constante diélectrique extrêmement élevée. Cependant, l’intégration de l’oxyde de pérovskite avec des matériaux ayant des structures atomiques différentes s’est avérée presque impossible.

“De manière conventionnelle, l’inadéquation du réseau entre les oxydes de pérovskite monocristallins et les semi-conducteurs en couches 2D entrave la croissance épitaxiale des surcouches d’oxyde de haute qualité”, ont expliqué Renshaw et Yang. “De plus, les conditions de croissance des oxydes de pérovskite monocristallins, qui impliquent une température élevée et une atmosphère d’oxygène, sont préjudiciables aux semi-conducteurs en couches 2D. Cependant, dans notre processus d’intégration de van der Waals, les oxydes de pérovskite ont été développés sur de l’oxyde à réseau adapté substrats puis transférés sur des semi-conducteurs en couches 2D à température ambiante.”

Renshaw Wang, Yang et leurs collègues avaient précédemment mené plusieurs études axées sur les techniques de croissance des oxydes et de l’électronique 2D. S’appuyant sur les résultats obtenus dans leurs travaux précédents, ils ont commencé à essayer de combiner des oxydes de pérovskite à haut κ et des semi-conducteurs en couches 2D pour créer des transistors très performants.

Pour y parvenir, les chercheurs ont fait croître les oxydes de pérovskite à haut κ sur une couche sacrificielle soluble dans l’eau. Par la suite, ils ont soulevé les oxydes de pérovskite de cette couche et l’ont transféré sur deux types de semi-conducteurs 2D à l’aide d’un support élastomère (c’est-à-dire le polydiméthylsiloxane ou PDMS). Ils ont spécifiquement utilisé du disulfure de molybdène et du diséléniure de tungstène, deux semi-conducteurs 2D différents qui leur ont permis de créer respectivement des transistors de type n et de type p.

Renshaw Wang et Yang ont évalué les transistors qu’ils ont créés dans une série de tests et ont constaté qu’ils obtenaient des résultats remarquables. Plus précisément, les transistors au bisulfure de molybdène présentaient un rapport de courant marche/arrêt de 108 à une tension d’alimentation de 1 V et une oscillation minimale sous le seuil de 66 mV dec-1.

“Nous avons réussi à contourner les limites de l’intégration de l’oxyde de pérovskite à haut κ et des semi-conducteurs 2D et notre approche pourrait permettre des combinaisons de matériaux presque illimitées”, ont déclaré Renshaw Wang et Yang. “De plus, nous avons trouvé l’interface entre les oxydes de pérovskite à k élevé transférés et le MoS2 est de haute qualité, car il nous a permis de fabriquer des transistors à effet de champ avec des pentes abruptes sous le seuil.”

Dans le cadre de leur étude récente, les chercheurs ont montré que les transistors qu’ils ont créés pouvaient être utilisés pour fabriquer des circuits inverseurs métal-oxyde-semi-conducteur complémentaires à hautes performances et à faible puissance. À l’avenir, leurs dispositifs pourraient être fabriqués à grande échelle et utilisés pour développer des circuits logiques et des micropuces à faible consommation d’énergie.

“Dans nos prochaines études, nous essaierons d’améliorer encore la qualité de l’oxyde de pérovskite à k élevé pour diminuer la tension d’alimentation des transistors et des portes logiques”, ont ajouté Renshaw et Yang. “En même temps, nous surveillerons le courant de fuite de la grille et utiliserons, si nécessaire, une couche tampon ou des oxydes doubles à k élevé pour bloquer la fuite de la grille.”


Mécanisme d’activation de l’oxygène sur des matériaux pérovskites contenant du baryum


Plus d’information:
Allen Jian Yang et al, intégration de Van der Waals d’oxydes de pérovskite à haut κ et de semi-conducteurs bidimensionnels, Électronique naturelle (2022). DOI : 10.1038 / s41928-022-00753-7

Di Lu et al, Synthèse de films et d’hétérostructures de pérovskite monocristallin autoportants par gravure de couches sacrificielles solubles dans l’eau, Matériaux naturels (2016). DOI : 10.1038/nmat4749

© 2022 Réseau Science X

Citation: Nouveaux transistors intégrant des oxydes de pérovskite à k élevé et des semi-conducteurs 2D (12 mai 2022) récupéré le 12 mai 2022 sur https://techxplore.com/news/2022-05-transistors-high-k-perovskite-oxides-2d.html

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