Nanostrukturen der nächsten Generation erschließen Elektronik mit extrem niedrigem Stromverbrauch

Forscher der Tokyo Metropolitan University haben erfolgreich mehrschichtige Übergangsmetall-Dichalcogenid-Übergänge (TMDC) in der Ebene entwickelt und ihre potenzielle Verwendung in Tunnel-Feldeffekttransistoren (TFETs) für ultraniedrigen Stromverbrauch in integrierten Schaltkreisen demonstriert. Unter Verwendung einer chemischen Gasphasenabscheidungstechnik erzeugte das Team TMDC-Übergänge mit beispiellos hoher Ladungsträgerkonzentration und zeigte einen negativen Differenzwiderstand, ein Schlüsselmerkmal des Tunnelns. Diese skalierbare Methode könnte die moderne Elektronik revolutionieren und den Weg für energieeffizientere Geräte ebnen.

Neue TFETs, die mit mehrschichtigen Übergangsmetall-Dichalkogenid-Übergängen in der Ebene realisiert werden.

Wissenschaftler der Tokyo Metropolitan University entwickelten mehrschichtige TMDC-Übergänge in der Ebene mit potenziellem Einsatz in TFETs mit extrem niedrigem Stromverbrauch, ein skalierbarer Durchbruch für energieeffiziente elektronische Geräte.

Wissenschaftler der Tokyo Metropolitan University haben erfolgreich mehrschichtige Nanostrukturen aus Übergangsmetalldichalkogeniden entwickelt, die sich in der Ebene treffen, um Übergänge zu bilden. Sie wuchsen Schichten von mehrschichtigen Strukturen aus Molybdändisulfid aus dem Rand von Niob-dotierten Molybdändisulfid-Scherben heraus und erzeugten eine dicke, gebundene, planare Heterostruktur. Sie demonstrierten, dass diese zur Herstellung neuer Tunnel-Feldeffekttransistoren (TFET), Komponenten in integrierten Schaltkreisen mit extrem niedrigem Stromverbrauch, verwendet werden können.

Chemische Gasphasenabscheidung kann verwendet werden, um eine mehrschichtige TMDC-Struktur aus einem anderen TMDC zu züchten. Bildnachweis: Tokyo Metropolitan University

Feldeffekttransistoren (FETs) sind ein entscheidender Baustein fast jeder digitalen Schaltung. Sie steuern den Stromdurchgang in Abhängigkeit von der angelegten Spannung. Während Metalloxid-Halbleiter-FETs (oder MOSFETs) die Mehrheit der heute verwendeten FETs bilden, ist die Suche nach Materialien der nächsten Generation im Gange, um immer anspruchsvollere und kompaktere Geräte mit weniger Strom zu betreiben. Hier kommen Tunnel-FETs (oder TFETs) ins Spiel. TFETs beruhen 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 die Wissenschaftler noch eine Möglichkeit finden, die Technologie in einer skalierbaren Form zu implementieren.

Ein Team von Wissenschaftlern der Tokyo Metropolitan University unter der Leitung von Associate 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 an einem Metall[{” attribute=””>atom) are excellent candidate materials for creating TFETs. Their recent successes have allowed them to stitch together single-atom-thick layers of crystalline TMDC sheets over unprecedented lengths.

Now, they have turned their attention to the multi-layered structures of TMDCs. By using a chemical vapor deposition (CVD) technique, they showed that they could grow out a different TMDC from the edge of stacked crystalline planes mounted on a substrate. The result was an in-plane junction that was multiple layers thick. Much of the existing work on TMDC junctions use monolayers stacked on top of each other; this is because, despite the superb theoretical performance of in-plane junctions, previous attempts could not realize the high hole and electron concentrations required to make a TFET work.

(a) Scanning transmission electron microscopy picture of a multi-layered junction between tungsten diselenide and molybdenum disulfide. (b) Schematic of the circuit used to characterize the multi-layered p-n junction between niobium doped and undoped molybdenum disulfide. (c) Schematic of energy levels of conduction band minimum (Ec) and valence band maximum (Ev) across the junction. The Fermi level (EF) indicates the level to which electrons fill the energy levels at zero temperature. When a gate voltage is applied, electrons in the conductance band can tunnel across the interface. (d) Current-voltage curves as a function of gate voltage. The NDR trend can be clearly seen at higher gate voltages. Credit: Tokyo Metropolitan University

After demonstrating the robustness of their technique using molybdenum disulfide grown from tungsten diselenide, they turned their attention to niobium doped molybdenum disulfide, a p-type semiconductor. By growing out multi-layered structures of undoped molybdenum disulfide, an n-type semiconductor, the team realized a thick p-n junction between TMDCs with unprecedentedly high carrier concentration. Furthermore, they found that the junction showed a trend of negative differential resistance (NDR), where increases in voltage lead to less and less increased current, a key feature of tunneling and a significant first step for these nanomaterials to make their way into TFETs.

The method employed by the team is also scalable over large areas, making it suitable for implementation during circuit fabrication. This is an exciting new development for modern electronics, with hope that it will find its way into applications in the future.

Reference: “Multilayer In-Plane Heterostructures Based on Transition Metal Dichalcogenides for Advanced Electronics” by Hiroto Ogura, Seiya Kawasaki, Zheng Liu, Takahiko Endo, Mina Maruyama, Yanlin Gao, Yusuke Nakanishi, Hong En Lim, Kazuhiro Yanagi, Toshifumi Irisawa, Keiji Ueno, Susumu Okada, Kosuke Nagashio and Yasumitsu Miyata, 23 February 2023, ACS Nano.
DOI: 10.1021/acsnano.2c11927

This work was supported by JSPS KAKENHI Grants-in-Aid, Grant Numbers JP20H02605, JP21H05232, JP21H05233, JP21H05234, JP21H05237, JP22H00280, JP22H04957, JP22H05469, JP22J14738, JP21K14484, JP20K22323, JP20H00316, JP20H02080, JP20K05253, JP20H05664, JP18H01822, JP21K04826, JP22H05445, and JP21K14498, CREST Grant Number JPMJCR16F3 and Japan Science and Technology Agency FOREST Grant Number JPMJFR213X.