17 年 2024 月 XNUMX 日 (Nanowerkスポットライト) 新世代の電子機器では、各デバイスの正確なバイアスを必要とする高度なナノスケール トランジスタが求められています。これらの厳しいバイアス条件は、トランジスタのしきい値電圧の正確な値を取得することによって緩和できます。これにより、電気ノイズに対するデジタル論理状態の耐性も向上します。消費電力削減の要件は次のように達成されます。 CMOS 電界効果トランジスタ (FET) は、エンハンスメント (E) モード、つまりゲート電圧 0 でチャネル内に自由な電荷キャリアが存在しない状態で製造および動作することによって実現されます。明確にするために、以下の文脈で 電界効果トランジスタ、エンハンスメント モード (E モード) とは、デバイスがソース端子とドレイン端子の間に導電チャネルを誘導するために特定のゲート電圧を必要とする状態を指します。逆に、デプレッション モード (D モード) FET は本質的にゼロ ゲート電圧で導通チャネルを持ち、チャネルを「デプレッション」またはオフにするには逆極性のゲート電圧が必要です。この基本的な違いは、特定のアプリケーション向けにデバイスを設計する際に重要な役割を果たし、消費電力、速度、全体的な機能に影響を与えます。一方、デプレッション (D) モードのトランジスタは、電荷キャリア密度が十分であるため、エンハンスメント モードよりも高い電流を持ちます。 FET のスイッチング アプリケーションとは対照的に、高周波アプリケーションの場合、FET のオフ状態は必須の要件ではありません。実際、ゲートバイアスがゼロのチャネルの存在は、より低い電圧で高い相互コンダクタンスを得るのに有利です。 Si FET の場合、エンハンスメント モードまたはデプリーション モードは、イオン注入ドーピングの製造ステップで決定されます。しかし、このソリューションを有機半導体や有機半導体などの新世代の薄い材料に実装するのは困難です。 2Dマテリアル。ジャーナルに発表された新しい研究によると、 ACS応用電子材料 (「ナノスケール電界効果トランジスタのエンハンスメントモードとディプレッションモードの選択的動作」)、ゲート金属の特定の仕事関数を選択することにより、p 型 FET のしきい値電圧を負の値から正の値に変更できます。これは、動作のエンハンスメント モードとデプレッション モードの間で選択的に切り替わります。
製造された FET の 3D 光学プロファイラー画像。 (米国化学会の許可を得て転載) 研究者らは、異なる仕事関数を持つさまざまなゲート金属電極を備えた FET を実験的に作製しました。 誘電アルミナの厚さはわずか 5 nm でした。 ゲート金属と有機 p 型半導体チャネル間の距離が短いため、外部電圧を印加しなくても、それらの間に静電相互作用が存在します。 アルミニウム (4.4 eV) のような仕事関数の低い金属を使用すると、FET は E モードで動作します。 金(5.0 eV)のような仕事関数の高いゲート金属の場合、ゲート電圧がゼロのときに一定数の正孔がチャネル内に誘導されます。 これにより、チャネルに大量の電流が流れ、これは D モード動作として知られています。
研究チームは、画期的な実験的取り組みを補完するために、研究結果の検証に役立つ高度な TCAD デバイス シミュレーションを採用しました。 これらのシミュレーションでは、誘導されたホール密度の等高線図を生成し、FET の動作モードに対するゲート金属の仕事関数の影響を視覚的および理論的に検証しました。 実験データとシミュレーションの洞察を結びつけるこの包括的なアプローチは、研究の信頼性を高めるだけでなく、技術の進歩と製造におけるスケールアップの可能性に対するその重要性も強調します。
筆頭著者であるインドの SRMIST の Abhay Sagade 博士は、観察された効果は、10 nm 未満などの薄い誘電体の厚さでは重大であることを明らかにしました。 「膜厚が厚くなると、たとえ仕事関数の高いゲート金属であっても、FET はエンハンスメント モードのままになります」と彼は指摘します。 「このコンセプトは、あらゆる薄い有機材料、無機材料、および新世代の 2D 材料に簡単に拡張できます。」この研究の重要な点は、FET で使用される誘電体層の厚さに焦点を当てていることです。 研究者らは、観察された効果(増強モードと空乏モード間の切り替え)は、薄い誘電体、特に 10 nm 未満の誘電体で顕著であることを発見しました。 この発見は、FET の動作に影響を与える誘電体の厚さの重要な役割を浮き彫りにし、望ましいデバイス性能を達成するには材料特性を正確に制御する必要性を強調しています。
この方法を使用すると、よりコンパクトなサイズで正確で再構成可能なデジタルロジック、発振器デバイスおよび回路を製造できるはずです。 さらに、電流が改善された D モード OFET は、高周波アプリケーションに効率的に利用できます。 これは、今後の量子デバイスや、小型の高感度デバイスを使用する技術アプリケーションにも多大な影響を及ぼします。
デジタル ロジックや発振器デバイスにとっての直接的な利点を超えて、動作モードを選択的に切り替える機能は、高周波アプリケーションにとって非常に大きな可能性を秘めており、次世代の量子デバイスの設計に革命を起こす可能性があります。
– マイケルは王立化学会による XNUMX 冊の本の著者です。
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