未来的微芯片:仍然缺少合适的绝缘子

  几十年来,微电子技术已朝着更小,更紧凑的晶体管发展。诸如石墨烯之类的2D材料在这里被视为希望的灯塔:它们是可能存在的最薄的材料层,仅由一个或几个原子层组成。但是,它们可以传导电流-另一方面,如果层太薄,传统的硅技术将无法正常工作。

未来的微芯片:仍然缺少合适的绝缘子

  但是,这种材料不是在真空中使用的。它们必须与合适的绝缘体结合使用,以使它们免受有害的环境影响,并通过所谓的场效应来控制电流。到目前为止,六方氮化硼(hBN)经常用于此目的,因为它为2D材料提供了绝佳的环境。然而,TU Wien与苏黎世联邦理工学院,俄罗斯爱奥菲研究所以及沙特阿拉伯和日本的研究人员合作进行的研究表明,与以前的假设相反,薄的hBN层不适合用作未来的小型场效应晶体管的绝缘体,因为发生过高的泄漏电流。因此,如果2D材料真的要彻底改变半导体行业,必须开始寻找其他绝缘体材料。这项研究现已发表在科学杂志《自然电子》上。

  理想的绝缘体材料

  该研究的第一作者Theresia Knobloch说:“乍看之下,六方氮化硼比其他绝缘体更适合石墨烯和二维材料。”维也纳。“就像2D半导体材料一样,hBN由彼此之间仅薄弱结合的单个原子层组成。”

  结果,hBN可以很容易地用于制造原子级光滑的表面,该表面不会干扰电子通过2D材料的传输。Tibor Grasser说:“因此,您可能认为hBN是理想的材料-既是放置薄膜半导体的衬底,又是构建场效应晶体管所需的栅极绝缘体。”

  漏电流小,影响大

  可以将晶体管与水龙头进行比较-仅打开和关闭电流,而不是水流。与水龙头一样,对于晶体管来说,没有任何东西泄漏出阀门本身非常重要。

  这正是栅极绝缘体在晶体管中所负责的:它将控制电极与电流导通的半导体通道本身隔离开,电流通过该控制电极导通和截止。现代微处理器包含大约500亿个晶体管-因此,即使是很小的栅极电流损耗也可以发挥巨大作用,因为这会显着增加总能耗。

  在这项研究中,研究小组通过实验和理论计算研究了流经薄hBN层的泄漏电流。他们发现使hBN成为合适衬底的某些特性也显着增加了通过hBN的泄漏电流。氮化硼具有较小的介电常数,这意味着该材料仅与电场弱相互作用。因此,用于小型晶体管的hBN层必须仅厚几个原子层,以便栅极的电场可以充分控制沟道。然而,与此同时,在这种情况下,泄漏电流变得太大,因为当减小层厚度时,泄漏电流呈指数增加。

  寻找绝缘子

  Tibor Grasser说:“我们的结果表明,hBN不适合用作基于2D材料的小型晶体管的栅极绝缘体。” “这一发现是未来研究的重要指南,但这仅仅是为最小的晶体管寻找合适的绝缘体的开始。目前,没有已知的材料系统能够满足所有要求,但这只是时间和资源的问题。直到找到合适的材料系统。”

  Theresia表示:“问题很复杂,但这使许多科学家致力于寻找解决方案变得尤为重要,因为未来我们的社会将需要体积小,速度快,尤其是节能的计算机芯片。”诺布尔奇深信不疑。

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