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前沿|2D High-K材料为晶体管提供新的方向

近日,美国斯坦福大学和SLAC国家加速器实验室的研究人员共同发现将硒化铪(HfSe2)和硒化锆(ZrSe2)这类High-K材料降低厚度变成2D的超薄材料,其拥有宽度相似的禁带。而采用了这种High-K材料的器件能够将体积缩小10倍左右。

研究内容

斯坦福大学的研究人员表示,他们尝试着将High-K材料(HfSe2和ZrSe2)变薄到单层的厚度(大约3个原子厚度)。在这种情况下,这两种材料的禁带宽度仍然在合适的范围内(1eV左右)。然而对于其他的半导体材料,在减小材料厚度到5纳米以下的时候,其自身的载流子迁移率就会急剧的降低,同时禁带宽度会上升。


2D High-K材料的应用

在当今的集成电路中,MOSFET常常作为一种基础元件。而在设计MOSFET栅极的时候,设计人员一般会在栅极下方先设计一层绝缘层。这一层绝缘层主要用来隔绝栅极与沟道之间的电流。但是随着制程工艺的提升,元件的体积逐渐的减小,栅极下方的绝缘层将很难起到绝缘的效果。这时设计人员就会采用High-K材料在保持厚度不变的前提下,变相增加绝缘效果。


研究人员表示,通过使用2D High-K材料,这种超薄的晶体管的栅极长度同样可以减小。High-K材料同样可以提供更低的工作电压。研究人员预测这种材料可以将晶体管的体积压缩到极其小的范围内,比其他的传统晶体管小10倍左右。


2D High-K材料的制作要求

首先,对于High-K材料来说,虽然具有很好的电气特性,但是在生长工艺中很难直接生长在硅表面,这中间需要再添加一层缓冲层来解决晶格失配的问题。


其次,HfSe2和ZrSe2 材料都需要生长在大面积的衬底上,这种方法可以有效的控制生长的厚度和结晶度。除此之外,在氧化环节还需要更精确的控制技术来确保高品质的High-K材料。


2D High-K材料目前的问题

由于晶体管体积的减小,在超薄材料上制作触点成为了目前新的挑战。研究人员认为在超薄2D材料以及晶体管中,制作高品质的触点是目前面临的一个重点难题。


结论   

研究人员表示,2D High-K材料在商业化应用方面还需要大量的工艺环节需要攻克,但是作为一种新的晶体管结构,其优秀的体积控制等特性,给晶体管设计人员带来了新的思路。

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