Un nou semiconductor ultra subțire ar putea facilita continuarea legii lui Moore

inseImagine luată din [1].

În urma unui deceniu de cercetări intense în domeniul grafenei și materialelor bidimensionale, un nou material semiconductor ar putea reprezenta viitorul electronicii ultra rapide. Noul semiconductor denumit selenură de indiu (InSe) are o grosime de doar câțiva atomi, similar grafenei. Studiul a fost publicat în această saptamană în revista Nature Nanotechnology de catre cercetătorii de la Universitatea din Manchester și colegii lor de la Universitatea din Nottingham. Grafena are grosimea unui singur strat atomic și proprietăţi electronice ne-egalate pănă acum de alt material, ceea ce a condus la mediatizarea ei pe scară largă cu privire la potențiale aplicații în circuitele electronice viitoare. Cu toate că are aceste proprietăți remarcabile, grafena nu are o bandă interzisă. Din această cauză se comportă mai mult ca un metal, decât ca un semiconductor, diminuându-i astfel posibilitatea de a fi folosită în aplicațiile de tip tranzistor.

Conform acestui studiu recent, cristalele de InSe pot fi făcute de doar câțiva atomi grosime, apropiindu-se de grosimea grafenei. InSe are proprietăți electronice mai bune decât siliciul, care este dominant în electronica modernă. Foarte important, spre deosebire de grafenă dar similar cu siliciu, InSe ultra subțire are o bandă interzisă largă, permițând tranzistorilor din acest material să fie cu ușurință comutați între stările ‘on’ și ‘off’, determinand ca dispozitivele electronice din următoarea generație să fie foarte rapide. Prin combinarea grafenei cu alte materiale noi, care au individual caracteristici excelente, complementare proprietăților extraordinare ale grafenei, a dus la rezultate științifice interesante și ar putea produce aplicații dincolo de imaginația noastră.

Andre Geim, unul dintre autorii acestui studiu si cel care a primit Premiului Nobel în Fizică pentru cercetarea grafenei, consideră că noile descoperiri ar putea avea un impact semnificativ asupra dezvoltării electronicii viitoare. “InSe ultra subțire pare să ofere combinația perfectă între siliciu și grafenă. Similar cu grafena, InSe este un material subțire, permițând scalarea la dimensiuni nanometrice. Similar cu siliciul, InSe este un semiconductor foarte bun”. Cercetatorii din Manchester au întâmpinat o problemă majoră în crearea de dispozitive din selenură de indiu de înaltă calitate. Fiind atât de subțire, InSe este deteriorat rapid de oxigenul și de umiditatea prezente în atmosferă. Pentru a evita această deteriorare, dispozitivele au fost preparate într-o atmosferă de argon, cu ajutorul noilor tehnologii dezvoltate la National Graphene Institute. Acest lucru a permis prepararea pentru prima dată a straturilor subțiri de InSe de înaltă calitate. Mobilitatea electronilor la temperatura camerei (2000 cm2/Vs) este semnificativ mai mare decât a siliciului. Această valoare crește de mai multe ori, la temperaturi mai scăzute.

În experimentele actuale materialul a fost produs pe suprafețe de câțiva micrometrii (dimensiune comparabilă cu secțiunea transversală a unui fir de păr uman). Cercetatorii cred ca folosind metodele actuale utilizate pe scară largă pentru a produce foi de grafenă pe suprafațe mari, InSe ar putea  să fie produs în curând la nivel comercial.

Co-autor al lucrării, profesorul Vladimir Falko, director al National Graphene Institute (NGI) a spus: “Tehnologia pe care NGI a dezvoltat-o pentru separarea straturilor atomice în cristale bidimensionale de înaltă calitate,  oferă oportunități deosebite de a crea noi sisteme de materiale cu aplicatii în optoelectronică. Cautam în mod constant noi materiale stratificate pentru a încerca metodele noastre.”

InSe ultra subțire face parte dintr-o familie tot mai mare de cristale bidimensionale, care au în funcție de structura, grosimee și compoziție chimică, o varietate de proprietăți foarte utile. În prezent, cercetarea grafenei și materialelor bidimensionale este domeniul din știința materialelor care cunoaște cea mai rapidă creștere, conectand știința cu ingineria.

Acest material a fost adaptat din [2].

Referințe:

[1] D. A. Bandurin et al. High electron mobility, quantum Hall effect and anomalous optical response in atomically thin InSe, Nat. Nanotechnol. (2016). DOI: 10.1038/nnano.2016.242

[2] University of Manchester

Advertisements

MOSFETs revisited

I read an article today in [1] regarding the replacement of silicon chips with germanium chips in electronics. Silicon transistors are rapidly approaching miniaturization limits while germanium counterparts show two or three times better speed performance. These chips consists of billions of small transistors called MOSFETs. In this blogpost I will explain the working principle of MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors) widely used in electronic industries. For this, I will use the case of an nMOS (MOS where conduction is due to electrons), which is built on a p-type Si wafer as in Figure 1. MOS1

Figure 1. Image taken from [2], page 35.

The MOS consists of the transistor body, p-type in this example, and two n-type regions called source and drain.  The body is referred to  as semiconductor. On the top of n and p regions it is grown an oxide (insulator, usually SiO2 – regular glass) and then the Gate (formerly metallic, now consisting of conductive silicon).  The p-type body composed of Si is doped with acceptor atoms such as B, Ga or In, which makes available a lot of positive mobile carriers called ‘holes’. The n-type drain and source  formed of Si are doped by donor atoms such as P, As or Sb, which leads to an increased concentration of negative mobile carriers (electrons), able to move and conduct electricity. The doping of Si is accomplished through diffusion or ion implantation. As you can see in the above image (Figure 1) there is no path between the source and the drain for the carriers to flow. The area between the source and the drain is called channel and here all the magic takes place. In order to form this path a positive voltage is applied on the gate (VGS), as in Figure 2. MOS3

Figure 2. Image taken from [2], page 39.

When VGS is large enough positive charges accumulate on the gate. It is called field effect transistor (FET) because the positive voltage on the gate attracts the electrons close to the surface of the semiconductor (effect called inversion because we have an n-type region in a p-type substrate), so the transistor action is due to the field from the gate to the channel region. Now a path between the source and the drain is formed and current can flow. In order to keep this going another potential on the drain (VDS) has to be applied. The current is positive in the direction of moving positive charges so, this is why ID has an opposite direction as compared to the direction of moving electrons. If we plot the current vs. the drain-source voltage we have the following dependence: MOS2

Figure 3. Image taken from [2], page 45.

Two regions can be distinguished: a non-saturation region where the current varies approximately linearly with the applied voltage and a saturation region where the current is almost constant with the increase of the voltage. The following electron microscopy image shows how a real device looks in reality. MOS4

Figure 4. Image taken from [3], page 129.

When you have both p-type and n-type MOS on the same chip you have built a CMOS (Complementary MOS).  For a detailed tutorial regarding the math and the equations behind the MOS Transistors you should read this book [2] or watch this course [4]. References

[1] Katherine Bourzac, New Chip Points the Way Beyond Silicon.

[2] Yannis Tsividis, Operation and Modeling of The MOS Transistor, Second Edition, OXFORD UNIVERSITY PRESS.

[3] C. Auth et al., Proc 2008 Symp. VLSI Technology, p. 128-129.

[4] MOS Transistors, Coursera.