Circuits intégrés basés sur un semi-conducteur 2D fonctionnant aux fréquences GHz

Les transistors sont des composants électroniques essentiels qui régulent, amplifient et contrôlent le flux de courant à l’intérieur de la plupart des appareils existants. Ces dernières années, les ingénieurs électroniciens ont tenté d’identifier des matériaux et des stratégies de conception susceptibles de contribuer à améliorer encore les performances des transistors, tout en réduisant leur taille.

Les dichalcogénures de métaux de transition bidimensionnels (2D) possèdent des propriétés avantageuses qui pourraient contribuer à améliorer les capacités des transistors. Bien que des études antérieures aient démontré le potentiel de ces matériaux dans des transistors individuels, leur utilisation pour développer des circuits intégrés (CI) complets fonctionnant à hautes fréquences s’est avérée un défi.

Des chercheurs de l’Université de Nanjing en Chine ont récemment créé de nouveaux circuits intégrés capables de fonctionner à des fréquences GHz, basés sur un matériau semi-conducteur monocouche de bisulfure de molybdène (MoS).₂). Leurs appareils, présentés dans un Électronique naturelle papier, comptez sur MoS₂transistors à effet de champ (FET).

“Depuis le rapport du premier MoS₂ transistor en 2012, (de nombreux progrès) ont été réalisés”, a déclaré Hao Qiu, co-auteur de l’article, à Tech Xplore. “Cependant, la plupart (ces progrès) se situent au niveau de l’appareil. Au niveau du circuit, la fréquence de fonctionnement était limitée à 13 MHz, ce qui est bien inférieur à la technologie CMOS ainsi qu’à la technologie des nanotubes de carbone. »

L’objectif principal des recherches récentes menées par Qiu et ses collègues était de réaliser un circuit intégré rapide à base de semi-conducteurs 2D qui s’étend au-delà des fréquences GHz. Pour ce faire, l’équipe a d’abord fabriqué un oscillateur en anneau (RO), un circuit électronique accordable qui produit des signaux à une fréquence spécifique, en utilisant du MoS.₂ -basé transistors.

“Le RO a été construit en mettant en cascade cinq onduleurs dans un anneau, et la sortie a été lue via un tampon”, a expliqué Qiu. “Chaque onduleur a été construit à partir d’un FET en mode d’amélioration (E) comme variateur et d’un FET en mode d’épuisement (D) avec les bornes de grille et de source connectées comme charge. Les FET tels que fabriqués sont en mode E en raison de peu de choses. dopage involontaire lors de la fabrication. Pour obtenir des FET en mode D, nous avons déposé de l’AlOx sous-stœchiométrique sur MoS₂ par dépôt de couche atomique (ALD) comme couche de dopage n.”

Les chercheurs ont évalué leur circuit intégré lors d’une série de tests et ont découvert qu’il pouvait fonctionner à des fréquences allant jusqu’à 2,65 GHz. Ils ont également exécuté une série de simulations informatiques qui ont démontré l’évolutivité de leur conception et son potentiel pour atteindre les objectifs fixés par l’industrie pour 2031.

“Nous avons adopté la stratégie de co-optimisation conception-technologie (DTCO) et démontré des circuits intégrés à semi-conducteurs bidimensionnels capables de fonctionner dans le régime GHz”, a déclaré Qiu. “Notre travail met en évidence le rôle essentiel de DTCO dans l’amélioration des performances au niveau des circuits semi-conducteurs 2D.”

La nouvelle conception introduite par cette équipe de chercheurs pourrait à terme contribuer à l’amélioration et à la mise à l’échelle futures des circuits intégrés. Dans leurs prochaines études, Qiu et ses collègues prévoient de continuer à travailler sur leurs appareils pour améliorer encore leurs performances, faciliter leur fabrication à grande échelle et permettre leur intégration avec l’électronique existante.

“En plus d’augmenter le niveau d’intégration, nous sommes sur la bonne voie pour optimiser davantage les performances, la puissance et la surface du circuit intégré à semi-conducteur 2D”, a ajouté Qiu.

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