Исследователи из Международного центра квантовых материалов Пекинского университета в сотрудничестве с Китайским народным университетом добились прогресса в области электроники нового поколения. Они успешно изготовили двумерные полупроводники из селенида индия (InSe) размером с пластину. Под руководством профессора Лю Кайхуэя команда разработала новую стратегию роста «твёрдое тело — жидкость — твёрдое тело», которая позволяет преодолеть давние барьеры в производстве двумерных полупроводников.
Исследование, опубликованное в Science под заголовком «Двумерные индий селенидные пластины для интегральной электроники», демонстрирует исключительные электронные характеристики, превосходящие все ранее описанные устройства на основе двумерных плёнок. Изготовленные из InSe транзисторы демонстрируют сверхвысокую подвижность электронов и подпороговый размах, близкий к пределу Больцмана, при комнатной температуре, что является новым стандартом для двумерных полупроводников.
Селенид индия, который часто называют «золотым полупроводником», обладает идеальным сочетанием свойств: низкой эффективной массой, высокой скоростью теплового движения и подходящей шириной запрещённой зоны. Несмотря на эти преимущества, его интеграция в масштабе пластины остаётся недостижимой из-за сложности точного поддержания соотношения индия и селена в атомах 1:1 во время синтеза. Традиционные методы позволяют получать только микроскопические чешуйки, которых недостаточно для практического применения в электронике.
По мере того как закон Мура замедляется, а возможности кремния приближаются к физическим пределам, полупроводниковая промышленность сталкивается с растущей необходимостью в поиске альтернативных материалов для каналов. В этом контексте успешное производство кристаллических пластин InSe большой площади представляет собой важный шаг на пути к созданию более быстрых, энергоэффективных и компактных чипов для электроники следующего поколения.
Система In–Se сталкивается с трудностями из-за наличия множества стабильных фаз и большой разницы в давлении паров индия и селена, что затрудняет поддержание стехиометрии во время роста. Эти проблемы влияют на чистоту фаз, качество кристаллов и общую стабильность устройств.
Команда профессора Лю Кайхуэя разработала новую стратегию преобразования твердого вещества в жидкость. Этот процесс начинается с нанесения аморфной тонкой пленки InSe на сапфировые подложки с помощью магнетронного распыления. Затем пластина инкапсулируется индием с низкой температурой плавления и герметизируется внутри кварцевой полости.
При нагревании примерно до 550 °C индий создаёт локальную среду с высоким содержанием индия, которая способствует контролируемому растворению и рекристаллизации на границе раздела. В результате этой тщательно организованной реакции образуются однородные однофазные кристаллические плёнки InSe. С помощью этого метода были получены 2-дюймовые пластины с лучшими в мире показателями кристалличности, чистоты фазы и однородности толщины для 2D InSe.
Используя эти пластины, команда изготовила крупномасштабные транзисторные матрицы, которые продемонстрировали выдающиеся характеристики, в том числе подвижность электронов до 287 см²/В·с и средний подпороговый размах 67 мВ/дел. Устройства показали отличные результаты при длине затвора менее 10 нм, что характеризуется уменьшением снижения барьера, вызванного стоком (DIBL), более низким рабочим напряжением, улучшенными соотношениями токов включения и выключения и эффективным баллистическим переносом при комнатной температуре.
Примечательно, что устройства превзошли прогнозы IRDS на 2037 год по задержке и энергозатратам (EDP), что позволило InSe опередить кремниевые технологии по ключевым показателям будущего.
Это открытие открывает новые возможности для разработки высокопроизводительных чипов нового поколения с низким энергопотреблением, которые, как ожидается, в будущем будут широко применяться в таких передовых областях, как искусственный интеллект, автономное вождение и интеллектуальные терминалы.