Họ mới được phát hiện của chất bán dẫn 2D cho phép thiết bị điện tử tiết kiệm năng lượng hơn

Các nhà nghiên cứu của SUTD chỉ ra cách một họ chất bán dẫn hai chiều (2D) mới được phát hiện tiết kiệm năng lượng hơn nhờ vào sự hiện diện của một lớp bảo vệ nguyên tử tích hợp sẵn.

Theo các nhà nghiên cứu từ Đại học Công nghệ và Thiết kế Singapore (SUTD), một họ chất bán dẫn hai chiều (2D) được phát hiện gần đây có thể mở đường cho các thiết bị điện tử hiệu suất cao và tiết kiệm năng lượng. Phát hiện của họ, được công bố trên npj 2D Materials and Applications , có thể dẫn đến việc chế tạo các thiết bị bán dẫn áp dụng trong điện tử và quang điện tử chính thống — và thậm chí có khả năng thay thế hoàn toàn công nghệ thiết bị dựa trên silicon.

Trong nhiệm vụ thu nhỏ các thiết bị điện tử, một xu hướng nổi tiếng là định luật Moore, mô tả cách số lượng thành phần trong mạch tích hợp của máy tính tăng gấp đôi sau mỗi hai năm. Xu hướng này có thể xảy ra nhờ kích thước ngày càng giảm của các bóng bán dẫn, một số bóng bán dẫn nhỏ đến mức hàng triệu bóng bán dẫn có thể được nhét vào một con chip có kích thước bằng móng tay. Nhưng khi xu hướng này tiếp tục, các kỹ sư đang bắt đầu vật lộn với những hạn chế về vật liệu vốn có của công nghệ thiết bị dựa trên silicon.

“Do hiệu ứng đường hầm lượng tử, việc thu nhỏ một bóng bán dẫn làm từ silicon quá nhỏ sẽ dẫn đến các hành vi rất khó kiểm soát của thiết bị,” trợ lý giáo sư Ang Yee Sin của SUTD, người đứng đầu cuộc nghiên cứu cho biết. “Mọi người hiện đang tìm kiếm những vật liệu mới vượt ra khỏi ‘kỷ nguyên silicon’, và chất bán dẫn 2D là một ứng cử viên đầy hứa hẹn.”

Chất bán dẫn 2D là vật liệu chỉ dày vài nguyên tử. Do kích thước nano của chúng, những vật liệu như vậy là ứng cử viên nặng ký thay thế silicon trong nhiệm vụ phát triển các thiết bị điện tử nhỏ gọn. Tuy nhiên, nhiều chất bán dẫn 2D hiện có bị cản trở bởi điện trở cao khi chúng tiếp xúc với kim loại.

Ang giải thích: “Khi bạn hình thành sự tiếp xúc giữa kim loại và chất bán dẫn, thường sẽ có cái mà chúng ta gọi là rào cản Schottky. “Để buộc dòng điện đi qua lớp chắn này, bạn cần phải đặt một hiệu điện thế mạnh, gây lãng phí điện và tạo ra nhiệt thải.”

Điều này đã thúc đẩy sự quan tâm của nhóm nghiên cứu đến các tiếp điểm Ohmic, hoặc các tiếp điểm bán dẫn kim loại không có rào cản Schottky. Trong nghiên cứu của mình, Ang và các cộng tác viên từ Đại học Nam Kinh, Đại học Quốc gia Singapore và Đại học Chiết Giang đã chỉ ra rằng một họ chất bán dẫn 2D được phát hiện gần đây, cụ thể là MoSi ₂ N ₄ và WSi ₂ N ₄ , tạo thành các tiếp điểm Ohmic với các kim loại titan, scandium , và niken, được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp thiết bị bán dẫn.

Hơn nữa, các nhà nghiên cứu cũng chỉ ra rằng vật liệu mới không bị ghim mức Fermi (FLP), một vấn đề hạn chế nghiêm trọng tiềm năng ứng dụng của các chất bán dẫn 2D khác.

Ang cho biết: “FLP là một hiệu ứng bất lợi xảy ra ở nhiều điểm tiếp xúc kim loại-bán dẫn, và gây ra bởi các khuyết tật và tương tác vật liệu phức tạp tại mặt tiếp xúc. “Hiệu ứng như vậy” ghim “các đặc tính điện của tiếp điểm vào một phạm vi hẹp bất kể kim loại được sử dụng trong tiếp điểm.”

Do FLP, các kỹ sư không thể điều chỉnh hoặc điều chỉnh rào cản Schottky giữa kim loại và chất bán dẫn — làm giảm tính linh hoạt trong thiết kế của một thiết bị bán dẫn.

Để giảm thiểu FLP, các kỹ sư thường sử dụng các chiến lược như định vị rất nhẹ nhàng và từ từ kim loại lên trên chất bán dẫn 2D, tạo ra một lớp đệm giữa kim loại và chất bán dẫn hoặc sử dụng kim loại 2D làm vật liệu tiếp xúc với chất bán dẫn 2D. Mặc dù các phương pháp này là khả thi, nhưng chúng vẫn chưa thực tế và không tương thích với việc chế tạo hàng loạt bằng các kỹ thuật công nghiệp chính thống hiện nay.

Thật ngạc nhiên, nhóm của Ang đã chỉ ra rằng MoSi ₂ N ₄ và WSi ₂ N ₄ được bảo vệ tự nhiên khỏi FLP do một lớp Si-N trơ bên ngoài bảo vệ lớp bán dẫn bên dưới khỏi các khuyết tật và tương tác vật liệu tại giao diện tiếp xúc.

Do tính năng bảo vệ này, rào cản Schottky được ‘bỏ ghim’ và có thể được điều chỉnh để phù hợp với nhiều yêu cầu ứng dụng. Sự cải tiến về hiệu suất này giúp đưa chất bán dẫn 2D vào hoạt động thay thế cho công nghệ dựa trên silicon, với những công ty lớn như TSMC và Samsung đã bày tỏ sự quan tâm đến thiết bị điện tử bán dẫn 2D.

Ang hy vọng rằng công trình của họ sẽ khuyến khích các nhà nghiên cứu khác thăm dò thêm các thành viên của họ chất bán dẫn 2D mới được phát hiện để tìm ra những đặc tính thú vị, thậm chí cả những chất có ứng dụng ngoài điện tử.

Ông kết luận: “Một số trong số chúng có thể rất kém về mặt ứng dụng điện tử nhưng rất tốt cho spintronics, quang xúc tác, hoặc như một khối xây dựng cho pin mặt trời,” ông kết luận. “Thách thức tiếp theo của chúng tôi là quét một cách có hệ thống tất cả các vật liệu 2D này và phân loại chúng theo các ứng dụng tiềm năng của chúng.”

Tham khảo: “Tiếp điểm Ohmic hiệu quả và bảo vệ lớp con nguyên tử tích hợp trong các lớp đơn MoSi ₂ N ₄ và WSi ₂ N ₄ ” của Qianqian Wang, Liemao Cao, Shi-Jun Liang, Weikang Wu, Guangzhao Wang, Ching Hua Lee, Wee Liat Ong , Hui Ying Yang, Lay Kee Ang, Shengyuan A. Yang và Yee Sin Ang, ngày 4 tháng 8 năm 2021, npj Vật liệu và ứng dụng 2D .
DOI: 10.1038 / s41699-021-00251-y

Theo Scitechdaily