Von Blechen bis zu Stapeln – neue Nanostrukturen für Profis

Mar 01, 2024

Neue TFETs mit mehrschichtigen In-Plane-Übergangsmetall-Dichalkogenid-Übergängen

Tokyo Metropolitan University

Bild: Chemische Gasphasenabscheidung kann verwendet werden, um eine mehrschichtige TMDC-Struktur aus einem anderen TMDC wachsen zu lassen.mehr sehen

Bildnachweis: Tokyo Metropolitan University

Tokio, Japan – Wissenschaftlern der Tokyo Metropolitan University ist es gelungen, mehrschichtige Nanostrukturen aus Übergangsmetalldichalkogeniden zu konstruieren, die sich in der Ebene treffen und Verbindungen bilden. Sie wuchsen aus Schichten mehrschichtiger Molybdändisulfid-Strukturen am Rand niobiumdotierter Molybdändisulfid-Scherben und bildeten eine dicke, verbundene, planare Heterostruktur. Sie zeigten, dass diese zur Herstellung neuer Tunnel-Feldeffekttransistoren (TFET) verwendet werden können, Komponenten in integrierten Schaltkreisen mit extrem niedrigem Stromverbrauch.

Feldeffekttransistoren (FETs) sind ein entscheidender Baustein nahezu jeder digitalen Schaltung. Sie steuern den Stromdurchgang abhängig von der angelegten Spannung. Während Metalloxid-Halbleiter-FETs (oder MOSFETs) den Großteil der heute verwendeten FETs ausmachen, wird nach Materialien der nächsten Generation gesucht, um immer anspruchsvollere und kompaktere Geräte mit weniger Stromverbrauch anzutreiben. Hier kommen Tunnel-FETs (oder TFETs) ins Spiel. TFETs basieren auf Quantentunneln, einem Effekt, bei dem Elektronen aufgrund quantenmechanischer Effekte normalerweise unpassierbare Barrieren passieren können. Obwohl TFETs viel weniger Energie verbrauchen und seit langem als vielversprechende Alternative zu herkömmlichen FETs vorgeschlagen werden, müssen Wissenschaftler noch einen Weg finden, die Technologie in einer skalierbaren Form zu implementieren.

Ein Team von Wissenschaftlern der Tokyo Metropolitan University unter der Leitung von außerordentlichem Professor Yasumitsu Miyata hat an der Herstellung von Nanostrukturen aus Übergangsmetalldichalkogeniden gearbeitet, einer Mischung aus Übergangsmetallen und Elementen der Gruppe 16. Übergangsmetalldichalkogenide (TMDCs, zwei Chalkogenatome zu einem Metallatom) sind ausgezeichnete Kandidatenmaterialien für die Herstellung von TFETs. Ihre jüngsten Erfolge haben es ihnen ermöglicht, einatomige dicke Schichten kristalliner TMDC-Schichten über beispiellose Längen zusammenzunähen. Jetzt haben sie ihre Aufmerksamkeit auf mehrschichtige Strukturen von TMDCs gerichtet. Mithilfe einer chemischen Gasphasenabscheidungstechnik (CVD) zeigten sie, dass sie ein anderes TMDC aus der Kante gestapelter Kristallebenen herauswachsen lassen konnten, die auf einem Substrat montiert waren. Das Ergebnis war eine mehrere Schichten dicke In-Plane-Verbindung. Bei einem Großteil der bestehenden Arbeiten zu TMDC-Übergängen werden übereinander gestapelte Monoschichten verwendet. Dies liegt daran, dass frühere Versuche trotz der hervorragenden theoretischen Leistung von In-Plane-Übergängen nicht die hohen Loch- und Elektronenkonzentrationen realisieren konnten, die für den Betrieb eines TFET erforderlich sind.

Nachdem sie die Robustheit ihrer Technik mit aus Wolframdiselenid gewachsenem Molybdändisulfid demonstriert hatten, wandten sie ihre Aufmerksamkeit Niob-dotiertem Molybdändisulfid zu, einem p-Typ-Halbleiter. Durch das Herauswachsen mehrschichtiger Strukturen aus undotiertem Molybdändisulfid, einem Halbleiter vom n-Typ, realisierte das Team einen dicken pn-Übergang zwischen TMDCs mit einer beispiellos hohen Ladungsträgerkonzentration. Darüber hinaus fanden sie heraus, dass der Übergang einen Trend zum negativen Differentialwiderstand (NDR) aufwies, bei dem Spannungserhöhungen zu immer weniger erhöhtem Strom führen, ein Schlüsselmerkmal des Tunnelns und ein wichtiger erster Schritt für diese Nanomaterialien, ihren Weg in TFETs zu finden.

Die vom Team verwendete Methode ist zudem über große Bereiche skalierbar und eignet sich daher für den Einsatz bei der Schaltungsherstellung. Dies ist eine aufregende neue Entwicklung für die moderne Elektronik, von der wir hoffen, dass sie in Zukunft ihren Weg in Anwendungen finden wird.

Diese Arbeit wurde unterstützt von JSPS KAKENHI Grants-in-Aid, Fördernummern JP20H02605, JP21H05232, JP21H05233, JP21H05234, JP21H05237, JP22H00280, JP22H04957, JP22H05469, JP22J14738, JP21K14484, JP20K22323, JP20H00316, JP20H02080, JP20K05253, JP20H05664, JP18H01822, JP21K04826, JP22H05445 und JP21K14498, CREST-Fördernummer JPMJCR16F3 und FOREST-Fördernummer JPMJFR213X der japanischen Wissenschafts- und Technologieagentur.

ACS Nano

10.1021/acsnano.2c11927

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