Взаимовлияние электрофизических параметров транзисторной структуры с двумерным каналом в условиях зарядовой неустойчивости

Разработана модель и получены закономерности взаимовлияния электрофизических параметров транзисторной структуры с двумерным каналом, обусловленные самоорганизацией зарядовых и емкостных свойств в условиях зарядовой неустойчивости. В качестве материала двумерного канала рассматриваются дихалькогениды переходных металлов. Исследовано влияние на электрофизические параметры транзисторной структуры с двумерным полупроводниковым каналом ширины запрещенной зоны материала канала, толщины подзатворного диэлектрика, емкости интерфейсных состояний. Показано, что в условиях неустойчивости, вызываемой ростом емкости интерфейсных состояний, зависимости электрохимического потенциала, концентрации электронов и квантовой емкости от потенциала полевого электрода имеют скачкообразный вид. Полученные результаты объясняются тем, что в условиях неустойчивости рост емкости интерфейсных состояний ведет к рассогласованию условия электронейтральности и статистики Ферми – Дирака при определенных величинах потенциала затвора из-за ограниченного характера плотности состояний двумерного канала, что ведет к проявлению зарядового дисбаланса. Данный эффект аналогичен переходу металл-полупроводник и может быть отнесен к бистабильным критическим явлениям. Разработанная модель и полученные результаты могут быть использованы в системах автоматизированного проектирования элементной базы микро- и наноэлектроники.

1. Liu Y., Duan X., Shin H.-J., Park S., Huang Yu, Duan X. (2021) Promises and Prospects of Two-Dimensional Transistor. Nature. 591, 43–53.

2. Knobloch T., Selberherr S., Grasser T. (2022) Challenges for Nanoscale CMOS Logic Based on TwoDimensional Materials. Nanomaterials. 12 (20).

3. Chhowalla M., Jena D., Zhang H. (2016) Two-Dimensional Semiconductors for Transistors. Nat. Rev. Mater. 1.

4. Luryi S. (1988) Quantum Capacitance Devices. Applied Physics Letters. 52, 501–503.

5. Ferry D. K. (2017) Electron Transport in Some Transition Metal Di-Chalcogenides: MoS2 and WS2. Semicond. Sci. Technol. 32.

6. Das S., Sebastian A., Pop E. (2021) Transistors Based on Two-Dimensional Materials for Future Integrated Circuits. Nat Electron. 4, 786–799.

7. Patel K. A., Grady R. W., Smithe K. K. H., Pop E., Sordan R. (2020) Ultra-Scaled MoS2 Transistors and Circuits Fabricated Without Nanolithography. 2D Mater. 7.

8. Manzeli S., Ovchinnikov D., Pasquier D., Yazyev O., Kis A. (2017) 2D Transition Metal Dichalcogenides. Nat. Rev. Mater. 2.

9. Iannaccone G., Bonaccorso F., Colombo L., Fiori G. (2018) Quantum Engineering of Transistors Based on 2D Materials Heterostructures. Nat. Nanotechnol. 13, 183–191.

10. Makovskaya T. I., Danilyuka A. L., Krivosheevaa A. V., Shaposhnikova V. L., Borisenkoa V. E. (2020) Charge Properties of the MOS Transistor Structure with the Channel Made from a Two-Dimensional Crystal. Russian Microelectronics. 49 (7), 507–515.

11. Zebrev G. I. (2011) Graphene Field Effect Transistors: Diffusion–Drift Theory. Physics and Applications of Graphene­Theory. InTech. 476–498. DOI: 10.5772/14211.

12. Jiménez D. (2012) Drift-Diffusion Model for Single Layer Transition Metal Dichalcogenide Field-Effect Transistors. Applied Physics Letters. 101 (24).

13. Kaushik N., Mackenzie D. M. A., Thakar K., Goyal N., Mukherjee B., Boggild P., et al. (2017) Reversible Hysteresis Inversion in MoS2 Field Effect Transistors. Npj 2D Mater. Appl. 1.

14. Lin Y.-C., Dumcenco D. O., Huang Y. S., Suenaga K. (2014) Atomic Mechanism Of The Semiconducting-toMetallic Phase Transition in Single-Layered MoS2. Nat. Nanotechnol. 9, 391–396.

15. Late D. J., Bin Liu, Matte H. S. S. R., Dravid V. P., Rao C. N. R. (2012) Hysteresis in Single-Layer MoS2 Field Effect Transistors. ACS Nano. 6, 5635–5641.

16. Jiapei Shu, Gongtao Wu, Yao Guo, Bo Liu, Xianlong Wei, Qing Chen (2016) The Intrinsic Origin of Hysteresis in MoS2 Field Effect Transistors. Nanoscale. 8, 3049–3056.