Полевые транзисторы на молибдените

Кроме графена двумерной структурой обладает еще ряд материалов: силицен, германен, оксид цинка ZnO, дихалькогениды переходных металлов. В последнее время большой интерес вызывают дихалькогениды переходных металлов, имеющие химическую формулу МХ₂, где М – переходной металл, а Х – халькоген. Дисульфид молибдена (молибденит) MoS₂ в силу своей доступности является одним из наиболее перспективных представителей этой группы материалов. Молибденит в промышленности используется давно, в частности, он является компонентом смесей и композиционных материалов с низким коэффициентом трения. Он имеет слоистую структуру – в каждом слое атом молибдена находится в центре тригональной призмы, образованной атомами серы (рис. 3.38). Тригональная призма ориентирована так, что в кристалле атомы молибдена находятся между двумя слоями атомов серы. Из-за слабых сил Ван-дер-Ваальса между атомами серы в MoS₂, слои могут легко скользить друг относительно друга. Структура MoS₂ во многом схожа со структурой графита, поэтому монослой MoS₂ можно получать теми же методами, что и графен, например, с помощью скотча.

а) б)

Рис. 3.38. Два слоя молибденита MoS₂ (а) и его кристаллическая решетка (б)

Монослой MoS₂, обладая сопоставимой с графеном подвижностью носителей заряда, является полупроводником с шириной запрещенной зоны по разным оценкам от 1,2 до 1,9 эВ. Поэтому его можно без проблем использовать для изготовления полевых транзисторах с большим отношением токов в открытом и закрытом состояниях. Кроме молибденита среди дихалькогенидов переходных металлов интерес представляет также диселенид вольфрама WSe₂. У молибденита MoS₂ и у диселенида вольфрама есть свои преимущества, обуславливающие их применение при создании транзисторов. Так, например, диселенид вольфрама может иметь как дырочную, так и электронную проводимость, в то время как в молибдените проявляется только электронная проводимость. Наличие электронной и дырочной проводимости важно для создания p-n-переходов в полупроводниковых приборах. Преимуществом молибденита является то, что во включенном состоянии транзисторы, в которых используется MoS₂, могут пропускать довольно большой по величине ток, что расширяет их области применения.

Впервые полевой транзистор с изолированным затвором на основе MoS₂ удалось создать коллективу ученых из Федерального политехнического университета Лозанны (Швейцария). Структура такого транзистора изображена на рис. 3.39. Для его изготовления с помощью скотча ученые отделили монослой MoS₂ от объемного материала и перенесли его на подложку из сильно легированного SiO₂. Методом электронно-лучевой литографии были нанесены контакты, после чего были сформированы золотые электроды. Для уменьшения сопротивления контактов, устройство отожгли при температуре 200 ºС. Однако подвижность зарядов в полученной структуре оказалась недостаточно высокой – около 10 см²/В·с (у полосок графена – 200 см²/В·с), поэтому на структуру был нанесен слой оксида гафния HfO₂, который с одной стороны изолирует затвор, а с другой – увеличивает подвижность носителей заряда. В результате подвижность носителей заряда удалось значительно увеличить – до 217 см²/В·с.

Рис. 3.39. Структура полевого транзистора на основе молибденита MoS₂

Результаты измерения вольтамперных характеристик полученных полевых транзисторов на основе молибденита MoS₂ представлены на рис. 3.40. Измерения характеристик проводились при комнатной температуре. Было установлено, что при напряжении между стоком и истоком U_ds = 500 мВ отношение токов в открытом и закрытом состояниях превысило 10⁸. Полученные характеристики близки к тем, что были ранее достигнуты у полевых транзисторов, изготовленных из полосок графена или слоев кремния.

а) б)

Рис. 3.40. Зависимости тока стока I_ds от напряжения на нижнем управляющем электроде U_bg (а)

и на верхнем управляющем электроде U_tg (б)

Создав полевой транзистор на основе MoS₂, ученые из Лозанны пошли дальше, они разработали чипы простейших логических микросхем, а затем сделали еще один важный шаг – создали на основе этого материала энергонезависимую флэш-память. Для этого они объединили два материала с уникальными электрическими характеристиками – графен и MoS₂. Опытный образец транзистора, который является основой ячейки флэш-памяти, построен почти по типовой структуре классического полевого транзистора (рис. 3.41). Но в середине этого транзистора, вместо толстого слоя кремния находится тонкий слой MoS₂, нижние же электроды, передающие заряд на этот слой, сделаны из графена. Важной частью ячейки памяти является «плавающий» затвор, выполненный из нескольких слоев графена (общая толщина составляет 5 нм), который позволяет накапливать электрический заряд и хранить данные в отсутствии напряжения питания.

Рис. 3.41. Структура ячейки флэш-памяти на основе MoS₂

Исследователи утверждают, что в новых экспериментальных модулях базовые ячейки памяти примерно в 40 раз меньше ячеек, используемых в самых современных 20-нанометровых модулях NAND-памяти. Еще одно важное преимущество – исключительно низкое энергопотребление. Для того, чтобы записать один бит информации в графеновых модулях требуется в миллион раз меньше энергии, чем для записи того же бита в кремниевых чипах. Предполагается, что данная технология способна во много раз увеличить емкость модулей памяти. Кроме того, данные устройства способны выдерживать сильное радиационное излучение и температуру до 200 °C, сохраняя при этом всю записанную информацию.

Одноэлектроника

Одноэлектронные устройства (SED - Single-electron device) представляют собой перспективные наноэлектронные приборы, основанные на эффекте дискретного туннелирования отдельных электронов и обеспечивающие ультранизкие уровни потребляемой энергии при ультранизких рабочих напряжениях. Принцип работы одноэлектронного транзистора основан на эффекте т. н. «кулоновской блокады» – скачкообразном изменении потенциальной энергии достаточно малой системы при туннелировании одного электрона и блокировании движения всех остальных электронов. При этом электрический ток в цепи протекает макроскопически регистрируемыми порциями, иначе говоря, в системе проявляется движение единичных элементарных зарядов.