Корейские ученые создали электроды затвора транзистора из нового материала, сочетающего в себе металлы и органические молекулы

Исследование закладывает основу для разработки электродов, отвечающих требованиям различных полупроводников. Ожидается, что это также будет способствовать разработке полупроводников с низким энергопотреблением, работающих при более низком напряжении.

Проводящие металл-органические каркасы (МОК) стали перспективными электронными материалами, однако их использование в качестве функциональных компонентов в полупроводниковых устройствах по-прежнему ограничено из-за сложностей в производстве на уровне устройства

Исследователи изготовили электроды к полевым транзисторам (FET). Транзистор — это базовый полупроводниковый компонент, который включает и выключает ток или регулирует его поток в ответ на электрический сигнал. Подача напряжения на затворный электрод позволяет контролировать поток тока через транзистор. В настоящее время затворные электроды изготавливаются в основном из металлов, которые хорошо проводят электричество. Однако каждый металл обладает фиксированными электронными свойствами. Это затрудняет адаптацию электрода к требованиям конкретного полупроводника.

Проводящие металл-органические каркасы — это материалы, в которых ионы металлов и органические молекулы связаны в единую структуру. Изменение комбинации металлов и органических молекул влияет на электронные свойства материала. Одно из таких свойств — работа выхода, то есть энергия, необходимая электрону для выхода с поверхности материала. Работа выхода влияет на напряжение, при котором полупроводник включается. Таким образом, изменение состава металл-органического каркаса может помочь исследователям в разработке электродов, которые задают напряжение, при котором полупроводник включается.

Пленка Cu₃(C₆O₆)₂, использованная в этом исследовании, имеет работу выхода 4,51 эВ. Это значение находится между значениями для типичных полупроводников n-типа и p-типа, поэтому одна и та же пленка может управлять каналами обоих типов.

Чтобы использовать металл-органический каркас в качестве электрода, его необходимо превратить в тонкую пленку одинаковой толщины. Затем на ней нужно сформировать рисунок, чтобы остались только нужные участки. Материал также необходимо защитить от повреждений во время обработки, поскольку они могут снизить его электропроводность.

Сначала исследователи получили тонкую однородную пленку металл-органического каркаса путем реакции прекурсоров в газовой фазе — этот метод известен как химическое осаждение из газовой фазы (CVD). Затем они использовали свет, чтобы создать четкий рисунок, и удалили ненужные участки, чтобы сформировать электроды с помощью фотолитографии и травления.

Команда применила электроды к трем различным полупроводникам: дисульфиду молибдена n-типа (MoS₂), дителлуриду молибдена p-типа (MoTe₂) и оксидному полупроводнику — оксиду цинка индия и галлия (IGZO). Электроды включали и выключали ток во всех трех материалах.

В устройстве на основе дисульфида молибдена команда исследователей изготовили затвор из металл-органического каркаса и обычный платиновый (Pt) затвор на одном и том же канале, что позволило провести прямое сравнение. Оба затвора показали схожие пороговые напряжения — значения, при которых начинает протекать ток. Они также продемонстрировали схожую подвижность носителей заряда — показатель того, насколько легко заряды перемещаются по каналу. Эти результаты подтвердили, что электрод из нового материала может управлять током так же эффективно, как и обычный металлический электрод.

Исследователи также проверили, можно ли изготавливать электроды в промышленных масштабах. Они разместили 23 транзистора на основе IGZO на одной подложке и сформировали электроды затвора для всех транзисторов за один этап. Все 23 транзистора работали исправно.