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研究发现六方氮化硼并不适合用作微型场效应晶体管的绝缘体

信息来源:本站 | 发布日期: 2021-03-15 12:55:31 | 浏览量:101

摘要:

几十年来,微电子技术的发展趋势是晶体管越来越小,越来越紧凑。石墨烯等二维材料在这里被视为希望的灯塔:它们是可能存在的最薄的材料层,只由一个或几个原子层组成,但是,它们可以传导电流。另一方面,如果硅层变得太薄,传统的硅技术就不能正常工作。然而,这类材料不…

几十年来,微电子技术的发展趋势是晶体管越来越小,越来越紧凑。石墨烯等二维材料在这里被视为希望的灯塔:它们是可能存在的最薄的材料层,只由一个或几个原子层组成,但是,它们可以传导电流。另一方面,如果硅层变得太薄,传统的硅技术就不能正常工作。
然而,这类材料不能在真空中使用;它们必须与适当的绝缘体结合,以将它们与不必要的环境影响隔离开来,并通过所谓的场效应来控制电流的流动。到目前为止,六方氮化硼(hBN)由于为二维材料提供了良好的应用环境而被广泛应用。然而,TU-Wien与苏黎世ETH、俄罗斯Ioffe研究所以及沙特阿拉伯和日本的研究人员合作进行的研究表明,与先前的假设相反,薄的hBN层不适合作为未来小型化场效应晶体管的绝缘体,因为会出现过高的漏电流。因此,如果二维材料真的要彻底改变半导体工业,人们就必须开始寻找其他绝缘体材料。这项研究已经发表在科学杂志《自然电子学》上。
被认为是完美的绝缘体材料
“乍一看,六方氮化硼比其他绝缘体更适合石墨烯和二维材料。”该研究的第一作者特蕾西亚·诺布洛赫说,就像2D半导体材料一样,hBN由单独的原子层组成,这些原子层之间的结合很弱。因此,hBN可以很容易地用来制造原子光滑的表面,而不会干扰电子通过2D材料的传输。因此,你可能认为hBN是一种完美的材料,既可以作为放置薄膜半导体的衬底,也可以作为制造场效应晶体管所需的栅绝缘体。”



漏电流小影响大



晶体管只能比作水龙头而不是水流,电流是开和关的。与水龙头一样,对晶体管来说,阀门本身没有泄漏是非常重要的。



这正是栅极绝缘体在晶体管中所起的作用:它将控制电极与半导体通道本身隔离开来,通过控制电极可以打开和关闭电流,然后电流通过半导体通道流动。一个现代微处理器包含大约500亿个晶体管,所以即使是门极上的一点电流损耗也可以发挥巨大的作用,因为它显著地增加了总能耗。



在这项研究中,研究小组通过实验和理论计算研究了流过薄hBN层的泄漏电流。他们发现,使hBN成为合适衬底的一些特性也显著增加了通过hBN的漏电流。氮化硼的介电常数很小,这意味着这种材料与电场的相互作用很弱。因此,微型晶体管中使用的hBN层必须只有几个原子层厚,这样栅极的电场才能充分控制沟道。然而,与此同时,在这种情况下,泄漏电流变得过大,因为当减小层厚度时,泄漏电流呈指数增长。



寻找绝缘体



“我们的结果表明,hBN不适合作为基于2D材料的小型晶体管的栅绝缘体。”Tibor Grasser说这一发现对今后的研究具有重要的指导意义,但它只是为最小的晶体管寻找合适绝缘体的开始。目前,没有任何已知的材料体系能够满足所有要求,但找到合适的材料体系只是时间和资源问题。



特雷西亚·诺布洛赫坚信:“这个问题很复杂,但这使得许多科学家致力于寻找解决方案变得更加重要,因为我们的社会在未来将需要小型、快速、最重要的是节能的计算机芯片。”

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