Исследователи, работающие в Центре интегрированной физики наноструктур Института фундаментальных наук (IBS) в Университете Сунгюнкван (SKKU) в Южной Корее, частично под руководством директора Ён Хи Ли, создали высокопроизводительный транзистор с использованием черного фосфора (BP), который показал некоторые увлекательные результаты.
Транзисторы состоят из материалов с полупроводниковыми свойствами, которые бывают двух разновидностей: n-типа (избыточные электроны) и p-типа (избыточные дырки).
С помощью кристалла BP исследователи обнаружили, что они могут изменять его толщину и / или контактные металлы, и это позволит определить, является ли он высокоэффективным, n-типом, p-типом или амбиполярным (функционирует как n- или p-тип) материал.
Что это значит?
Кремний должен быть легирован извне (вставка другого элемента в его кристаллическую структуру), чтобы сделать его n-типом или p-типом, чтобы он мог работать в полупроводниковом кристалле.
Кристаллы BP могут работать как с n-типом, так и с p-типом или чем-то средним, но не требуют внешнего легирования. Это означает, что вместо того, чтобы изготавливать кристалл кремний-мышьяк, зажатый между кристаллами кремний-бор, транзистор может иметь единственную, легкую логическую микросхему на основе чистого черного фосфора – легирование не требуется.
Кроме того, изменение металлов, используемых для подключения микросхемы к цепи, влияет на то, будет ли БП n- или p-типа. Вместо легирования для изготовления материала n- и p-типа, БП n- и p-типа можно собрать вместе на одном кристалле, просто изменив его толщину и используемый контактный металл.
Почему это важно?
Производители технологий ведут гонку вооружений, чтобы сделать свои устройства легче, меньше и эффективнее. Используя БП толщиной всего в несколько атомных слоев, транзисторы можно сделать меньше и более энергоэффективными, чем те, которые существуют сейчас.
Силиконовые чипы присутствуют во всех наших электронных устройствах, и по мере того, как производители делают устройства меньшего размера и более энергоэффективными, они начинают приближаться к порогу того, насколько малыми могут быть компоненты.
BP может предоставить более тонкую и эффективную альтернативу кремниевым чипам в электрических устройствах.
Другой пример – крошечные автономные устройства записи и передачи данных, которые составят Интернет вещей (IoT). Основным препятствием на пути к немедленному запуску IoT является невозможность уменьшить размер компонентов и отсутствие долгосрочного решения по энергоснабжению.
Двухмерные слоистые материалы (такие как черный фосфор) интересны в этом аспекте, поскольку как электрические, так и механические свойства часто улучшаются по сравнению с их объемными (трехмерными) аналогами.
Является ли BP хорошей альтернативой современным полупроводниковым материалам??
Это отличный материал для транзисторов, поскольку он обладает высокой подвижностью носителей (насколько быстро электрон может перемещаться через него). Это дает BP возможность работать при более низких напряжениях, а также повышает производительность, что приводит к значительному снижению энергопотребления.
С алюминием в качестве контакта более толстые чешуйки BP (13 нанометров) демонстрируют амбиполярные свойства, подобные графену, в то время как тонкие чешуйки 3 нм являются униполярными n-типами с отношениями включения / выключения более 105. Чем тоньше они могут сделать материал, тем лучше переключение.
Перелло объясняет: «Движущей силой обратного фосфора является подвижность носителей. Все вокруг этого.
Тот факт, что ширина запрещенной зоны изменяется с толщиной, также дает нам гибкость при проектировании схем. Мне как исследователю есть чем поиграть."
Готов ли он конкурировать с кремнием??
В отличие от других полупроводниковых материалов промышленного стандарта, нет хорошего метода для получения чистого БП в больших масштабах.
В настоящее время тонкие слои можно получить только соскабливанием объемных кристаллических образцов БП, так как другого способа производства пока не существует. Решение проблемы образования накипи уже ведется: химическое осаждение из паровой фазы (CVD) и другие методы выращивания тонких пленок исследуются в лабораториях по всему миру. Однако отсутствие технологии изготовления монослоя не обязательно является проблемой. Научный сотрудник SKKU Дэвид Перелло объясняет: «Вероятно, мы можем работать с 3, 5 или 7 слоями, и это может быть лучше с точки зрения производительности."
Когда его спросили, готова ли BP конкурировать с кремнием сегодня, Перелло сказал: «Я не думаю, что в настоящее время он может конкурировать с кремнием, это мечта каждого. Кремний дешев и доступен в большом количестве, и лучшие кремниевые транзисторы, которые мы можем сделать, обладают мобильностью, аналогичной тому, что я смог сделать в этих устройствах BP."
Это не значит, что BP не стоит изучать дальше. По словам Перелло: «Тот факт, что было так просто сделать такой превосходный транзистор, не имея доступа к современному коммерческому оборудованию для роста, производства и литографии, означает, что мы могли бы сделать его значительно лучше. Мы ожидаем, что верхняя граница подвижности носителей в черном фосфоре будет намного выше, чем в кремнии."
В настоящее время BP не готова к коммерческому использованию, и ее потенциал только начинает осознаваться. Если он продолжит работать в дальнейших тестах, он должен стать сильным соперником в качестве материала микросхемы для будущих технологий.