Vers des dispositifs semi-conducteurs 2D plus économes en énergie

Vers des dispositifs semi-conducteurs 2D plus économes en énergie

(Panneau de gauche) Illustration des contacts métalliques vers MoSi2N4 monocouche. Un contact Schottky est formé lorsque l’or est utilisé comme matériau d’électrode pour MoSi2N4. D’autre part, un contact ohmique économe en énergie peut être obtenu en utilisant une électrode en titane. (Panneau de droite) Les « paramètres de pente » S de MoSi2N4 et WSi2N4 les contacts métalliques étudiés dans ce travail sont parmi les plus bas par rapport à d’autres espèces de semi-conducteurs 2D, suggérant le fort potentiel du MoSi2N4 et WSi2N4 pour les applications de dispositifs électroniques. Crédit : SUTD

Selon des chercheurs de l’Université de technologie et de design de Singapour (SUTD), une famille récemment découverte de semi-conducteurs bidimensionnels (2D) pourrait ouvrir la voie à une électronique haute performance et économe en énergie. Leurs conclusions, publiées dans Matériaux et applications 2D npj, peut conduire à la fabrication de dispositifs semi-conducteurs applicables dans l’électronique grand public et l’optoélectronique, et même potentiellement remplacer complètement la technologie des dispositifs à base de silicium.

Dans la quête de miniaturisation des appareils électroniques, une tendance bien connue est la loi de Moore, qui décrit comment le nombre de composants dans les circuits intégrés des ordinateurs double tous les deux ans. Cette tendance est possible grâce à la taille toujours plus petite des transistors, dont certains sont si petits que des millions d’entre eux peuvent être entassés sur une puce de la taille d’un ongle. Mais alors que cette tendance se poursuit, les ingénieurs commencent à se débattre avec les limitations matérielles inhérentes à la technologie des dispositifs à base de silicium.

« En raison de l’effet tunnel quantique, le rétrécissement d’un transistor à base de silicium trop petit conduira à des comportements de dispositif hautement incontrôlables », a déclaré le professeur adjoint de SUTD, Ang Yee Sin, qui a dirigé l’étude. « Les gens recherchent maintenant de nouveaux matériaux au-delà de » l’ère du silicium « , et les semi-conducteurs 2D sont un candidat prometteur. »

Les semi-conducteurs 2D sont des matériaux qui n’ont que quelques atomes d’épaisseur. En raison de leur taille nanométrique, ces matériaux sont de solides candidats pour remplacer le silicium dans la quête du développement de dispositifs électroniques compacts. Cependant, de nombreux semi-conducteurs 2D actuellement disponibles sont en proie à une résistance électrique élevée lorsqu’ils entrent en contact avec des métaux.

« Lorsque vous formez un contact entre le métal et le semi-conducteur, il y aura souvent ce que nous appelons une barrière Schottky », a expliqué Ang. « Afin de forcer l’électricité à traverser cette barrière, vous devez appliquer une forte tension, qui gaspille de l’électricité et génère de la chaleur perdue. »

Cela a suscité l’intérêt de l’équipe pour les contacts ohmiques, ou contacts métal-semi-conducteur sans barrière Schottky. Dans leur étude, Ang et ses collaborateurs de l’Université de Nanjing, de l’Université nationale de Singapour et de l’Université du Zhejiang ont montré qu’une famille récemment découverte de semi-conducteurs 2D, à savoir MoSi2N4 et WSi2N4, forment des contacts ohmiques avec les métaux titane, scandium et nickel, qui sont largement utilisés dans l’industrie des dispositifs à semi-conducteurs.

En outre, les chercheurs ont également montré que les nouveaux matériaux sont exempts d’épinglage au niveau de Fermi (FLP), un problème qui limite considérablement le potentiel d’application d’autres semi-conducteurs 2D.

« Le FLP est un effet indésirable qui se produit dans de nombreux contacts métal-semi-conducteur et qui est causé par des défauts et des interactions complexes de matériaux à l’interface de contact », a déclaré Ang. « Un tel effet » épingle « les propriétés électriques du contact à une plage étroite, quel que soit le métal utilisé dans le contact. »

En raison du FLP, les ingénieurs sont incapables de régler ou d’ajuster la barrière Schottky entre le métal et le semi-conducteur, ce qui diminue la flexibilité de conception d’un dispositif semi-conducteur.

Pour minimiser la FLP, les ingénieurs utilisent généralement des stratégies telles que le positionnement très doux et lent du métal sur le semi-conducteur 2D, la création d’une couche tampon entre le métal et le semi-conducteur ou l’utilisation d’un métal 2D comme matériau de contact avec le semi-conducteur 2D. Bien que ces méthodes soient réalisables, elles ne sont pas encore pratiques et sont incompatibles avec la fabrication de masse utilisant les techniques industrielles courantes disponibles aujourd’hui.

Étonnamment, l’équipe d’Ang a montré que MoSi2N4 et WSi2N4 sont naturellement protégés du FLP grâce à une couche externe inerte en Si-N qui protège la couche semi-conductrice sous-jacente des défauts et des interactions matérielles à l’interface de contact.

En raison de cette protection, la barrière Schottky est « non goupillée » et peut être réglée pour répondre à un large éventail d’exigences d’application. Cette amélioration des performances permet de mettre les semi-conducteurs 2D dans la course en remplacement de la technologie à base de silicium, des acteurs majeurs comme TSMC et Samsung exprimant déjà leur intérêt pour l’électronique des semi-conducteurs 2D.

Ang espère que leur travail encouragera d’autres chercheurs à sonder davantage de membres de la famille des semi-conducteurs 2D nouvellement découverte pour des propriétés intéressantes, même celles ayant des applications au-delà de l’électronique.

« Certains d’entre eux peuvent être très médiocres en termes d’applications électroniques mais très bons pour la spintronique, les photocatalyseurs ou comme éléments de base pour les cellules solaires », a-t-il conclu. « Notre prochain défi est de scanner systématiquement tous ces matériaux 2D et de les catégoriser en fonction de leurs applications potentielles. »


Amélioration de l’efficacité énergétique de l’électronique matérielle 2D à l’aide de semi-métal topologique


Plus d’information:
Qianqian Wang et al, Contacts ohmiques efficaces et protection de sous-couche atomique intégrée dans les monocouches MoSi2N4 et WSi2N4, Matériaux et applications 2D npj (2021). DOI : 10.1038/s41699-021-00251-y

Fourni par l’Université de technologie et de design de Singapour

Citation: Vers des dispositifs semi-conducteurs 2D plus économes en énergie (2021, 15 septembre) récupéré le 15 septembre 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-09-energy-efficient-2d-semiconductor-devices.html

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