Une nouvelle stratégie de dopage à l’yttrium améliore les transistors 2D

Les ingénieurs en électronique et les spécialistes des matériaux tentent d’identifier des matériaux susceptibles d’améliorer encore les performances de l’électronique, en surmontant les limites inhérentes aux transistors à base de silicium. Les semi-conducteurs bidimensionnels (2D) présentent des propriétés avantageuses qui en font des candidats prometteurs pour le développement de transistors plus performants.

Plus particulièrement, les semi-conducteurs 2D sont atomiquement épais et présentent des mobilités de porteurs élevées, deux qualités qui pourraient améliorer le contrôle électrostatique et les performances à l’état passant des transistors à effet de champ (FET) à canal court. Malgré leurs avantages, ces matériaux présentent des résistances de contact élevées liées à des effets dits de fermi-level-pinning, qui réduisent considérablement leurs performances dans les transistors.

Des chercheurs de l’Université de Pékin et de l’Académie chinoise des sciences ont récemment introduit une nouvelle stratégie de dopage à l’yttrium qui pourrait aider à surmonter cette limitation clé des semi-conducteurs 2D, facilitant ainsi leur intégration efficace dans l’électronique.

Cette stratégie, décrite dans un article publié dans Électronique naturellepeut convertir le bisulfure de molybdène semi-conducteur (MoS₂) en MoS métallique₂améliorant l’alignement des bandes et facilitant l’utilisation du MoS₂ pour fabriquer des contacts ohmiques pour transistors 2D.

“Nous avons placé une couche semi-métallique entre une électrode métallique et un semi-conducteur bidimensionnel”, a déclaré Chenguang Qiu, co-auteur de l’article, à Tech Xplore. “Cette couche semi-métallique améliore l’efficacité de l’injection de porteurs depuis l’électrode métallique vers le semi-conducteur bidimensionnel. Cette idée s’inspire de la structure traditionnelle en siliciure des transistors à base de silicium.”

L’objectif principal de l’étude récente de Qiu et de ses collègues était de s’attaquer au problème des effets d’ancrage au niveau de Fermi à l’interface entre les couches métalliques et semi-conductrices 2D dans les transistors 2D. Il s’agit d’un obstacle critique au développement de l’électronique 2D, qui a jusqu’à présent empêché leur future fabrication à grande échelle.

“Nous avons développé la méthode de recuit par dépôt plasma (PDA) pour réaliser un dopage à l’yttrium dans la couche superficielle du MoS₂“, a déclaré Qiu. “Tout d’abord, les zones de contact locales structurées ont été traitées avec un plasma doux de faible puissance pour générer des sites actifs. Ensuite, un métal empilé Y/Ti/Au a été déposé et le métal actif Y de 1 nm d’épaisseur a été utilisé comme source de dopage à l’état solide.

Les atomes Y utilisés pour doper le MoS₂ diffuser dans les sites actifs générés à l’aide d’un plasma de faible puissance. Les chercheurs les ont ensuite activés dans la couche supérieure du matériau, en utilisant un recuit à haute température dans un environnement de gaz inerte.

“En raison de la préparation de structures à motifs hyperfins, de la grande stabilité thermique après recuit et de la nature entièrement solide, ce processus de dopage PDA est compatible avec l’intégration à l’échelle d’une tranche de nœuds avancés”, a déclaré Qiu.

Dans leur article, les chercheurs ont introduit un nouveau concept, qu’ils appellent « transition de phase 2D induite par le dopage à l’yttrium et aux éléments de terres rares ». Cette transition de phase est essentiellement la métallisation qu’ils ont observée lorsqu’ils ont appliqué leur stratégie de dopage à l’yttrium au MoS₂.

“Nous avons inventé une technique de dopage de surface à couche atomique unique et à zone sélective”, a déclaré Qiu. “Cette percée surmonte la limitation technique traditionnelle selon laquelle la profondeur de jonction du dopage par implantation ionique ne peut pas être inférieure à 5 nanomètres, atteignant pour la première fois une profondeur de dopage poussée jusqu’à la limite de la couche atomique de 0,5 nanomètres.”

Grâce à leur stratégie de dopage à l’yttrium, Qiu et ses collègues ont développé du MoS ultra-court₂transistors balistiques à canal basés sur de bons contacts ohmiques et dotés de grandes capacités de commutation. À l’avenir, ces transistors pourraient contribuer au développement de nouvelles puces à nœuds inférieurs au nanomètre, capables d’atteindre des performances remarquables tout en consommant moins d’énergie que les puces classiques.

“Nous espérons maintenant développer des contacts ohmiques de type P tout aussi excellents, adaptés aux semi-conducteurs 2D”, a ajouté Qiu. “Cela permettrait la fabrication de transistors CMOS symétriques complémentaires, qui peuvent être utilisés pour construire des circuits intégrés à grande échelle plus performants et à faible consommation d’énergie.”

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