稳定性–即在整个使用寿命期间的稳定运行–是电子设备适用于各种应用所需的关键特性之一。而这正是基于二维材料的晶体管的致命弱点，其稳定性通常比基于硅的器件差得多。由维也纳工业大学、AMO 有限公司、亚琛工业大学和伍珀塔尔大学的研究人员组成的研究小组现在展示了一种新颖的工程方法，通过仔细调整费米能来提高二维晶体管的电气稳定性。相关成果已在《自然-电子学》（Nature Electronics）杂志上发表。
在 AMO/ELD 制造的基于石墨烯器件的芯片。马丁-布劳恩
如今，基于石墨烯和其他二维（2D）材料的器件在某些应用领域已经超越了现有技术水平，这一点毋庸置疑。二维材料也被视为最有希望在硅技术路线图的末端实现最终规模晶体管的候选材料。 然而，基于二维材料的器件通常表现出很差的电气稳定性，这意味着它们的行为会随着运行历史而发生变化。
AMO 有限公司科学总监兼德国联邦理工大学电子器件系主任 Max Lemme 教授解释说：”元件可靠性是研究中经常被忽视的一个方面，但我们已经在这方面工作了数年，因为它对应用至关重要。这种不稳定性不仅是二维材料本身造成的，而且主要是用于制造晶体管的氧化物绝缘体中捕获的电荷造成的。”莱姆说：”理想情况下，我们希望使用电荷陷阱更少的不同绝缘体，但目前还没有可扩展的解决方案。在我们的工作中，我们已经证明可以使用氧化铝等标准绝缘体，并通过调整二维材料中的电荷载流子密度，显著抑制氧化物中电荷阱的不利影响。”
这项工作结合了对新方法（作者称之为 “基于稳定性的设计”）的全面理论分析，以及通过测量不同类型的石墨烯基场效应晶体管对这一概念进行的原理验证。这种方法的关键思路是尝试设计二维材料/绝缘体的组合，使绝缘体中电荷阱的能量与二维材料中电荷载流子的能量尽可能不同。莱姆解释道：”基于石墨烯的场效应晶体管是我们这种方法的理想试验平台，因为调整石墨烯中电荷载流子的能量相对容易。不过，这种方法也适用于所有基于二维半导体的场效应晶体管。 这些成果标志着我们朝着将稳定可靠的二维材料晶体管集成到半导体技术中迈出了重要一步。
参考文献信息：
T. Knobloch, B. Uzlu, Y. Yu. I.llarionov, Z. Wang, M. Otto, L. Filipovic, M. Waltl, D. Neumaier, M. C. Lemme, T. Grasser, Improving stability in two-dimensional transistors with amorphous gate oxides by Fermi-level tuning, Nature Electronics (2022) – Open Access
DOI: 10.1038/s41928-022-00768-0
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