Dai fogli alle pile, nuove nanostrutture pro

Mar 01, 2024

Nuovi TFET realizzati con giunzioni dicalcogenuri di metalli di transizione nel piano multistrato

Università Metropolitana di Tokio

immagine: la deposizione di vapori chimici può essere utilizzata per far crescere una struttura TMDC multistrato da un TMDC diverso.vedere di più

Credito: Università metropolitana di Tokyo

Tokyo, Giappone – Gli scienziati della Tokyo Metropolitan University sono riusciti a progettare con successo nanostrutture multistrato di dichalcogenuri di metalli di transizione che si incontrano nel piano per formare giunzioni. Hanno sviluppato strati di strutture multistrato di bisolfuro di molibdeno dal bordo di frammenti di bisolfuro di molibdeno drogati con niobio, creando un'eterostruttura planare spessa, legata. Hanno dimostrato che questi possono essere utilizzati per realizzare nuovi transistor a effetto di campo tunnel (TFET), componenti in circuiti integrati con un consumo energetico estremamente basso.

I transistor ad effetto di campo (FET) sono un elemento fondamentale di quasi tutti i circuiti digitali. Controllano il passaggio della corrente attraverso di esso a seconda della tensione che viene applicata. Sebbene i FET (o MOSFET) a semiconduttore di ossido di metallo costituiscano la maggior parte dei FET oggi in uso, è in corso la ricerca per la prossima generazione di materiali per pilotare dispositivi sempre più esigenti e compatti che utilizzano meno energia. È qui che entrano in gioco i FET (o TFET) tunneling. I TFET si basano sul tunneling quantistico, un effetto in cui gli elettroni sono in grado di superare barriere solitamente invalicabili a causa degli effetti della meccanica quantistica. Sebbene i TFET utilizzino molta meno energia e siano stati a lungo proposti come un’alternativa promettente ai FET tradizionali, gli scienziati devono ancora trovare un modo per implementare la tecnologia in una forma scalabile.

Un team di scienziati della Tokyo Metropolitan University guidato dal professore associato Yasumitsu Miyata ha lavorato alla realizzazione di nanostrutture a partire dai dichalcogenuri di metalli di transizione, una miscela di metalli di transizione ed elementi del gruppo 16. I dicalcogenuri dei metalli di transizione (TMDC, due atomi di calcogeno in un atomo di metallo) sono materiali candidati eccellenti per la creazione di TFET. I loro recenti successi hanno permesso loro di unire strati spessi di un singolo atomo di fogli cristallini TMDC su lunghezze senza precedenti. Ora hanno rivolto la loro attenzione alle strutture multistrato dei TMDC. Utilizzando una tecnica di deposizione chimica in fase vapore (CVD), hanno dimostrato che è possibile far crescere un TMDC diverso dal bordo di piani cristallini impilati montati su un substrato. Il risultato è stato una giunzione nel piano spessa più strati. Gran parte del lavoro esistente sulle giunzioni TMDC utilizza monostrati impilati uno sopra l'altro; questo perché, nonostante le superbe prestazioni teoriche delle giunzioni nel piano, i tentativi precedenti non sono riusciti a realizzare le elevate concentrazioni di lacune ed elettroni richieste per far funzionare un TFET.

Dopo aver dimostrato la robustezza della loro tecnica utilizzando disolfuro di molibdeno cresciuto dal diseleniuro di tungsteno, hanno rivolto la loro attenzione al disolfuro di molibdeno drogato con niobio, un semiconduttore di tipo p. Facendo crescere strutture multistrato di disolfuro di molibdeno non drogato, un semiconduttore di tipo n, il team ha realizzato una spessa giunzione pn tra i TMDC con una concentrazione di portatori senza precedenti. Inoltre, hanno scoperto che la giunzione mostrava un andamento di resistenza differenziale negativa (NDR), in cui gli aumenti di tensione portano a un aumento sempre minore della corrente, una caratteristica chiave del tunneling e un primo passo significativo affinché questi nanomateriali possano farsi strada nei TFET.

Il metodo utilizzato dal team è inoltre scalabile su vaste aree, il che lo rende adatto all'implementazione durante la fabbricazione del circuito. Si tratta di un nuovo entusiasmante sviluppo per l'elettronica moderna, con la speranza che possa trovare la sua strada nelle applicazioni future.

Questo lavoro è stato sostenuto da JSPS KAKENHI Grants-in-Aid, numeri di sovvenzione JP20H02605, JP21H05232, JP21H05233, JP21H05234, JP21H05237, JP22H00280, JP22H04957, JP22H05469, JP22J14738, JP21K14484, JP20K22323, JP20H00316, JP20H02080, JP20K05253, JP20H05664, JP18H01822, JP21K04826, JP22H05445 e JP21K14498, numero di sovvenzione CREST JPMJCR16F3 e numero di sovvenzione FOREST dell'Agenzia giapponese per la scienza e la tecnologia JPMJFR213X.