Réglage au niveau de Fermi pour améliorer la stabilité des FET à base de graphène 2D

Réglage au niveau de Fermi pour améliorer la stabilité des FET à base de graphène 2D

Crédit : Knobloch et al, Électronique naturelle (2022). DOI : 10.1038 / s41928-022-00768-0

Les semi-conducteurs bidimensionnels (2D) sont une classe de matériaux semi-conducteurs avec des épaisseurs à l’échelle atomique. Ces matériaux présentent de nombreuses propriétés avantageuses, dont de bonnes mobilités à des épaisseurs inférieures à 1 nm, qui les rendent particulièrement prometteurs pour le développement de transistors à effet de champ (FET) et autres composants électroniques, photoniques et optoélectroniques.

Malgré leurs avantages, lorsqu’ils sont utilisés pour construire des composants électroniques, ces matériaux présentent souvent une stabilité électrique limitée. La raison principale en est que les porteurs de charge provenant des semi-conducteurs peuvent interagir avec les défauts des isolants qui entourent les matériaux à l’intérieur des dispositifs, entravant la stabilité des dispositifs.

Des chercheurs de la TU Wien et de l’AMO GmbH ont récemment démontré une stratégie qui pourrait être utilisée pour améliorer la stabilité des FET basés sur des matériaux 2D. Cette stratégie, présentée dans un article publié dans Électronique naturelleimplique de régler le niveau de Fermi des matériaux 2D, en veillant à ce qu’il maximise la distance énergétique entre les porteurs de charge et les défauts de l’isolant de grille pendant le fonctionnement de l’appareil.

“Dans les FET, les charges piégées qui en résultent peuvent entraîner une hystérésis importante et des dérives de l’appareil, en particulier lorsque des oxydes de grille amorphes courants (tels que le silicium ou le dioxyde d’hafnium) sont utilisés, entravant le fonctionnement stable du circuit”, ont écrit les chercheurs dans leur article. “Nous montrons que la stabilité du dispositif dans les transistors à effet de champ à base de graphène avec des oxydes de grille amorphes peut être améliorée par un réglage au niveau de Fermi.”

Dans leurs expériences, les chercheurs ont testé différents FET de graphène avec de l’oxyde d’aluminium (Al2O3) comme oxyde de grille supérieur et comparé leurs performances. L’un des lots d’appareils qu’ils ont testés utilisait également une couche de graphène dopé p.

“Nous avons délibérément réglé le niveau de Fermi du canal pour maximiser la distance énergétique entre les porteurs de charge dans le canal et les bandes de défaut dans l’oxyde de grille en aluminium amorphe”, expliquent les chercheurs dans leur article.

Fait intéressant, les chercheurs ont découvert que leur approche améliorait la stabilité des transistors. En fait, le lot de FET qui a été accordé par Fermi à l’écart des défauts de l’oxyde d’aluminium (c’est-à-dire celui qui était le plus dopé p) a entraîné une hystérésis plus faible et une instabilité de température de polarisation, deux caractéristiques généralement associées à l’instabilité opérationnelle.

L’équipe a vérifié l’efficacité de leur approche en exécutant une série de simulations de conception assistée par ordinateur (TCAD). Il s’agit de simulations informatiques souvent utilisées pour modéliser des dispositifs et des processus à semi-conducteurs.

“Le piégeage de charge est très sensible à l’alignement énergétique du niveau de Fermi du canal avec la bande de défaut dans l’isolant, et donc, notre approche maximise la quantité de pièges de bordure électriquement actifs sans qu’il soit nécessaire de réduire le nombre total de pièges dans le isolant », ont ajouté les chercheurs dans leur article.

Les travaux récents de cette équipe de chercheurs mettent en évidence la nécessité de choisir des conceptions adaptées pour les dispositifs basés sur des semi-conducteurs 2D afin d’assurer un fonctionnement fiable et stable. À l’avenir, l’approche introduite dans leur article pourrait être utilisée pour améliorer la stabilité des FET basés sur le graphène 2D.

De plus, la même stratégie pourrait potentiellement être applicable à une large gamme d’isolants, y compris les isolants cristallins. Dans leurs prochaines études, les chercheurs prévoient de tester davantage leur stratégie proposée, afin de déterminer les niveaux de stabilité qu’elle pourrait permettre avec différentes combinaisons de matériaux.


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Plus d’information:
Theresia Knobloch et al, Amélioration de la stabilité des transistors bidimensionnels avec des oxydes de grille amorphes par réglage au niveau de Fermi, Électronique naturelle (2022). DOI : 10.1038 / s41928-022-00768-0

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Citation: Réglage au niveau de Fermi pour améliorer la stabilité des FET à base de graphène 2D (2022, 28 juin) récupéré le 28 juin 2022 sur https://techxplore.com/news/2022-06-fermi-level-tuning-stability-2d- graphène-based.html

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