Слой с отрицательной емкостью повысил эффективность нанотранзисторов
Физикам удалось повысить эффективность нанотранзистора на основе двумерного дисульфида молибдена с изолированным затвором. Использование слоя смешанного оксида циркония и гафния, который обладает отрицательной емкостью (то есть заряд на нем увеличивается при понижении напряжения), помогло преодолеть фундаментальное ограничение на наклон вольт-амперной характеристики транзистора, связанное с термоионными эффектами, сообщают ученые в Nature Nanotechnology.
Транзисторы — полупроводниковые приборы, в которых сопротивление зависит от подаваемого на них напряжения — являются одним из основных элементов современных электронных устройств. Сопротивление наиболее распространенных полевых транзисторах регулируется с помощью поперечного электрического поля, и состоят они из трех функциональных элементов: стока, истока и затвора.
В полевых транзисторах, имеющих структуру с изолированным затвором («металл-оксид-полупроводник») полупроводниковый затвор отделен от истока и стока слоем диэлектрика, который выполняет роль конденсатора. Такие транзисторы обладают очень высоким входным сопротивлением и управляются напряжением. Однако эффективность такого типа транзисторов ограничена за счет термоионных эффектов и связана с фундаментальным ограничением, которое накладывается на диссипацию энергии в электронной системе распределением Больцмана. Поэтому при комнатной температуре допороговый наклон вольт-амперной характеристики (англ. subthreshold slope) в таких транзисторах — величина которая характеризует нужное для работы транзистора напряжение и, соответственно, количество потребляемой энергии — не может быть меньше 60 милливольт для увеличения тока в 10 раз.
Для того, чтобы преодолеть этот естественный барьер и повысить эффективность транзистора, физики из США, Тайваня и Китая под руководством Пейде Йе (Peide D. Ye) из Университета Пердью предложили добавить к слою диэлектрика дополнительный сегнетоэлектрический слой с отрицательной емкостью. Теоретически такое решение предлагалось еще 10 лет назад, однако осуществить его на практике до сегодняшнего дня не удавалось. Реализовать эту концепцию экспериментально ученые смогли в транзисторе, в котором роль управляемого канала выполнял двумерный полупроводниковый слой дисульфида молибдена. Диэлектриком в транзисторе был слой оксида алюминия толщиной 2 нанометра, к которому добавили дополнительный слой сегнетоэлектрика из смешанного оксида циркония и гафния толщиной 20 нанометров.
В результате в таком устройстве действительно удалось снизить наклон вольт-амперной характеристики и добиться эффективной работы устройства как в проводящем, так и в запирающем состоянии. При этом у такого транзистора не наблюдается гистерезиса и присутствия каких-то остаточных эффектов. Величина максимального тока стока, который удалось померить в таком транзисторе, составила 510 микроампер на один микрон. При этом средний допороговый наклон вольт-амперной характеристики действительно оказался немного меньше 60 милливольт для повышения силы тока на один порядок: при повышении напряжения он оказался равен 59,6 милливольта, а для снижения наклон кривой зависел от скорости изменения напряжения и в разных случаях менялся от 5,6 до 41,7 милливольта. По утверждению авторов работы, в дальнейшем наклон может быть понижен еще.
В дальнейшем авторы работы надеются увеличить скорость переключения транзистора, чтобы сделать его пригодным для современных электронных устройств, работающих на высоких скоростях.
Использование двумерных полупроводниковых кристаллов (в первую очередь, дисульфида молибдена), состоящих из одного или двух атомных слоев, — один из наиболее перспективных способов получения транзисторов нанометрового размера. Помимо этого, дисульфид молибдена может использоваться, например, для фильтрования воды. Для того, чтобы управлять электронными свойствами двумерного полупроводникового материала, его можно объединять с еще более низкоразмерными структурами, например, недавно для этого предложили внедрять в двумерный диселенид вольфрама одномерный провод из дисульфида молибдена.
В начальной версии заметки содержалась неточность: было указано, что транзисторы с изолированным затвором управляются током. На самом деле, такие транзисторы управляются как раз напряжением, а не током. Редакция приносит свои извинения читателям.
Александр Дубов
Устройство необходимо для разгона электронов в линейном ускорителе
Ученые из Института ядерной физики имени Будкера СО РАН создали ключевой элемент будущего источника синхротронного излучения СКИФ — клистрон, устройство, которое будет обеспечивать линейный ускоритель СКИФа током высокой мощности и сверхвысокой частоты, сообщили пресс-службы института и Минобрнауки РФ. Разработка стала вынужденным шагом: ученые планировали закупить клистроны в Японии, но из-за санкций фирма-подрядчик разорвала контракт. Проект «Сибирского кольцевого источника фотонов» (СКИФ) был утвержден в октябре 2019 года. Предполагается, что он будет генерировать синхротронное излучение с энергией фотонов от 1 до 100 килоэлектронвольт, которое будет использоваться для высокоточного рентгеноструктурного анализа, то изучения характера рассеяния излучения в толще образца. Такого рода «просвечивание» необходимо для многих задач в физике твердого тела, для разработки новых материалов, биомедицинских исследований. Подробнее об этом мы писали в материале «Больше синхротронов». Первый элемент СКИФа — линейный ускоритель (линак), который должен будет выдавать поток электронов с энергиями в 200 мегаэлектронвольт. Частицы разгоняются в нем благодаря переменным электрическим полям высокой частоты в СВЧ-резонаторах. В свою очередь, для питания СВЧ-резонаторов нужен электрический ток сверхвысокой частоты. Устройство, которое для этого предназначено, называется клистроном. В апреле 2023 года физики ИЯФа проверили в действии «первую ступень» линака, разогнав в нем электроны до энергии 30 мегаэлектронвольт. Однако, как пояснил N + 1 завлабораторией ИЯФ Алексей Левичев, в этом эксперименте использовался клистрон японской фирмы Canon, который институт успел получить до введения санкций. По его словам, для полноценной работы линака требуется четыре клистрона — три работающих и один резервный. Поскольку клистроны с нужными параметрами выпускают только в США, Франции и Японии, физикам пришлось создавать устройство самостоятельно. Клистрон представляет собой разновидность электронной лампы. В нем есть катод, где формируется поток электронов. Затем этот поток ускоряется и попадает во входной резонатор, где под действием электрического поля он становится дискретным — разбивается на сгустки, которые, в свою очередь, наводят ток сверхвысокой частоты в выходном резонаторе. Затем электроны «ловит» коллектор и цикл повторяется. Таким образом из непрерывного тока получают ток с частотой колебаний около 3 гигагерц. При испытаниях клистрона, созданного в ИЯФе была получена мощность в 50 мегаватт. По словам, директора ИЯФ Павла Логачева, создать собственный клистрон устройство они смогли благодаря благодаря тому, что Национальная ускорительная лаборатория SLAC подарила институту клистрон, и физики научились с ним работать. По его мнению, эта технология в дальнейшем будет востребована для других ускорительных установок в России — для синхротрона, источника комптоновского излучения в Сарове, источника нейтронов в Дубне. По словам Левичева, проект линейного ускорителя разрабатывался под параметры японского клистрона, поэтому собственная их установка в максимально возможной степени соответствует «исходнику». Однако соответствие все же не стопроцентное, поэтому, вероятнее всего, три сибирских клистрона будут основными, а японскому останется роль резервного. Испытания линака со всеми тремя клистронами и на проектной энергии в 200 мегаэлектронвольт сейчас планируются на лето 2024 года, добавил Левичев. Раньше мы рассказывали, как японским ученым удалось увидеть с помощью синхротрона двухщелевую самоинтерференцию одиночных электронов во времени.