Las nanoestructuras de próxima generación desbloquean la electrónica de potencia ultrabaja

Nuevos TFET fabricados con uniones de dicalcogenuro de metal de transición multicapa en el plano.

Científicos de la Universidad Metropolitana de Tokio han diseñado uniones TMDC multicapa en plano con uso potencial en TFET de potencia ultrabaja, un avance evolutivo para dispositivos electrónicos de bajo consumo.

Los científicos de la Universidad Metropolitana de Tokio han diseñado con éxito nanoestructuras multicapa de dicalcogenuros de metales de transición que se encuentran en el plano para formar uniones. Crecieron capas de estructuras multicapa de disulfuro de molibdeno desde el borde de fragmentos de disulfuro de molibdeno dopado con niobio, creando una heteroestructura plana gruesa y unida. Demostraron que estos podrían usarse para fabricar nuevos transistores de efecto de campo de túnel (TFET), componentes de circuitos integrados con un consumo de energía muy bajo.

La deposición de vapor químico se puede utilizar para hacer crecer una estructura de TMDC multicapa a partir de un TMDC diferente. Crédito: Universidad Metropolitana de Tokio

Los transistores de efecto de campo (FET) son una parte esencial de casi todos los circuitos digitales. Controlan el flujo de corriente a través de él dependiendo del voltaje que se le pasa. Si bien los FET de semiconductores de óxido metálico (o MOSFET) constituyen la mayoría de los FET que se usan en la actualidad, se está investigando la próxima generación de materiales para impulsar dispositivos cada vez más exigentes y compactos que usan menos energía. Aquí es donde entran los FET de tunelización (o TFET). Los TFET se basan en el efecto túnel cuántico, un efecto en el que los electrones pueden cruzar barreras generalmente infranqueables debido a los efectos de la mecánica cuántica. Aunque los TFET usan mucha menos energía y se han propuesto durante mucho tiempo como una alternativa prometedora a los FET tradicionales, los científicos aún tienen que encontrar una manera de implementar la tecnología de forma escalable.

Dirigido por el profesor asociado Yasumitsu Miyata, un equipo de científicos de la Universidad Metropolitana de Tokio trabajó en la fabricación de nanoestructuras a partir de dicalcogenuros de metales de transición, una mezcla de metales de transición y elementos del grupo 16 de metales de transición (TMDC, dos átomos de calcógeno para un metal[{” attribute=””>atom) are excellent candidate materials for creating TFETs. Their recent successes have allowed them to stitch together single-atom-thick layers of crystalline TMDC sheets over unprecedented lengths.

Now, they have turned their attention to the multi-layered structures of TMDCs. By using a chemical vapor deposition (CVD) technique, they showed that they could grow out a different TMDC from the edge of stacked crystalline planes mounted on a substrate. The result was an in-plane junction that was multiple layers thick. Much of the existing work on TMDC junctions use monolayers stacked on top of each other; this is because, despite the superb theoretical performance of in-plane junctions, previous attempts could not realize the high hole and electron concentrations required to make a TFET work.

(a) Scanning transmission electron microscopy picture of a multi-layered junction between tungsten diselenide and molybdenum disulfide. (b) Schematic of the circuit used to characterize the multi-layered p-n junction between niobium doped and undoped molybdenum disulfide. (c) Schematic of energy levels of conduction band minimum (Ec) and valence band maximum (Ev) across the junction. The Fermi level (EF) indicates the level to which electrons fill the energy levels at zero temperature. When a gate voltage is applied, electrons in the conductance band can tunnel across the interface. (d) Current-voltage curves as a function of gate voltage. The NDR trend can be clearly seen at higher gate voltages. Credit: Tokyo Metropolitan University

After demonstrating the robustness of their technique using molybdenum disulfide grown from tungsten diselenide, they turned their attention to niobium doped molybdenum disulfide, a p-type semiconductor. By growing out multi-layered structures of undoped molybdenum disulfide, an n-type semiconductor, the team realized a thick p-n junction between TMDCs with unprecedentedly high carrier concentration. Furthermore, they found that the junction showed a trend of negative differential resistance (NDR), where increases in voltage lead to less and less increased current, a key feature of tunneling and a significant first step for these nanomaterials to make their way into TFETs.

The method employed by the team is also scalable over large areas, making it suitable for implementation during circuit fabrication. This is an exciting new development for modern electronics, with hope that it will find its way into applications in the future.

Reference: “Multilayer In-Plane Heterostructures Based on Transition Metal Dichalcogenides for Advanced Electronics” by Hiroto Ogura, Seiya Kawasaki, Zheng Liu, Takahiko Endo, Mina Maruyama, Yanlin Gao, Yusuke Nakanishi, Hong En Lim, Kazuhiro Yanagi, Toshifumi Irisawa, Keiji Ueno, Susumu Okada, Kosuke Nagashio and Yasumitsu Miyata, 23 February 2023, ACS Nano.
DOI: 10.1021/acsnano.2c11927

This work was supported by JSPS KAKENHI Grants-in-Aid, Grant Numbers JP20H02605, JP21H05232, JP21H05233, JP21H05234, JP21H05237, JP22H00280, JP22H04957, JP22H05469, JP22J14738, JP21K14484, JP20K22323, JP20H00316, JP20H02080, JP20K05253, JP20H05664, JP18H01822, JP21K04826, JP22H05445, and JP21K14498, CREST Grant Number JPMJCR16F3 and Japan Science and Technology Agency FOREST Grant Number JPMJFR213X.