17 年 2024 月 XNUMX 日 (Nanowerk聚光灯)对于新一代电子设备,需要先进的纳米级晶体管,这需要每个设备的精确偏置。通过获得晶体管阈值电压的精确值可以放宽这些严格的偏置条件。这也将提高数字逻辑状态对电噪声的耐受性。降低功耗的要求达到了 CMOS 通过在增强 (E) 模式下制造和操作场效应晶体管 (FET),即在零栅极电压下沟道中不存在自由电荷载流子。为了澄清,在上下文中 场效应晶体管,增强模式(E-mode)是指器件需要一定的栅极电压才能在源极和漏极端之间感应出导电沟道的状态。相反,耗尽型(D 型)FET 本质上具有零栅极电压下的导电沟道,需要相反极性的栅极电压来“耗尽”或关闭沟道。这种基本区别在如何针对特定应用设计设备方面发挥着至关重要的作用,影响着它们的功耗、速度和整体功能。另一方面,由于充足的载流子密度,耗尽型 (D) 模式晶体管比增强型晶体管具有更高的电流。与 FET 的开关应用相反,对于高频应用,FET 的关断状态并不是强制性要求。事实上,零栅极偏置下沟道的存在有利于在较低电压下获得高跨导。对于 Si FET,增强或耗尽模式是在离子注入掺杂的制造步骤中确定的。然而,对于有机半导体和有机半导体等新一代薄材料实施这种解决方案具有挑战性。 2D材料。根据发表在杂志上的新研究 ACS应用电子材料 (“纳米级场效应晶体管增强和耗尽模式的选择性操作”),通过为栅极金属选择特定的功函数,p型FET的阈值电压可以从负值变为正值,这是在操作的增强模式和耗尽模式之间选择性切换。
所制造 FET 的 3D 光学轮廓仪图像。 (经美国化学会许可转载)研究人员实验性地制造了具有不同功函数的各种栅极金属电极的FET。 电介质氧化铝的厚度仅为5 nm。 由于栅极金属和有机p型半导体沟道之间的距离很短,因此即使不施加外部电压,它们之间也存在静电相互作用。 当使用铝 (4.4 eV) 等低功函数金属时,FET 在 E 模式下工作。 对于金 (5.0 eV) 等高功函数栅极金属,在零栅极电压下,沟道中会产生一定数量的空穴。 这会导致通道中产生大量电流,称为 D 模式操作。
为了补充他们突破性的实验工作,研究团队采用了先进的 TCAD 设备模拟,这有助于验证他们的发现。 这些模拟产生了感应空穴密度的彩色等值线图,为栅极金属功函数对 FET 工作模式的影响提供了视觉和理论验证。 这种综合方法将实验数据与模拟见解相结合,不仅提高了研究的可信度,而且强调了其对技术进步的重要性和扩大制造规模的潜力。
主要作者来自印度 SRMIST 的 Abhay Sagade 博士透露,对于薄电介质厚度(例如小于 10 nm),观察到的影响是深远的。 “对于较大的厚度,即使对于高功函数栅极金属,FET 仍保持增强模式,”他指出。 “这个概念可以很容易地扩展到任何薄的有机、无机和新一代 2D 材料。”这项研究的一个重要方面是关注 FET 中使用的介电层的厚度。 研究人员发现,所观察到的效应(增强模式和耗尽模式之间的切换)对于薄电介质(特别是小于 10 nm 的电介质)来说很明显。 这一发现强调了电介质厚度在影响 FET 行为方面的关键作用,强调需要精确控制材料特性以实现所需的器件性能。
使用这种方法,应该可以制造尺寸更紧凑、精确且可重新配置的数字逻辑、振荡器器件和电路。 此外,具有改进电流的 D 模式 OFET 可有效用于高频应用。 这对于即将到来的量子设备和使用小尺寸敏感设备的技术应用也具有巨大的影响。
除了数字逻辑和振荡器设备的直接好处之外,选择性地在操作模式之间切换的能力还为高频应用带来了巨大的希望,有可能彻底改变下一代量子设备的设计。
– Michael 是皇家化学学会三本书的作者:
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