激光网3月17日消息，对于新一代电子设备，需要先进的纳米级晶体管，这需要对每个器件进行精确偏置。这些严格的偏置条件可以通过获得晶体管阈值电压的精确值来放宽。这也将提高数字逻辑状态对电噪声的耐受性。CMOS场效应晶体管的制造和运行在增强型模式下，即在零栅极电压下沟道中没有自由电荷载流子，从而实现了降低功耗的要求。
澄清一下，在现场效应晶体管的背景下，增强模式是指器件需要一定的栅极电压才能在源极和漏极之间感应导电通道的状态。相反，耗尽模式 FET 固有地具有零栅极电压的导通通道，需要极性相反的栅极电压来“耗尽”或关闭通道。这种根本区别在设备如何为特定应用设计方面起着至关重要的作用，从而影响其功耗、速度和整体功能。
另一方面，由于充足的电荷载流子密度，耗尽模式晶体管比增强模式具有更高的电流。与FET的开关应用相比，对于高频应用，FET的关断状态不是强制性要求。事实上，在零栅极偏置处存在一个沟道有利于在较低电压下获得高跨导。对于Si FET，在离子注入掺杂的制备步骤中确定了增强或耗尽模式。然而，将这种解决方案用于新一代薄材料具有挑战性。
根据发布在ACS Applied Electronic Materials杂志上的新研究，通过为栅极金属选择特定的功函数，p型FET的阈值电压可以从负值变为正值，即在增强模式和耗尽模式之间选择性切换操作。
研究人员通过实验制造了具有不同工作功能的各种栅极金属电极的FET。介电氧化铝厚度仅为 5 nm。由于栅金属和有机p型半导体沟道之间的这种短距离，即使不施加外部电压，它们之间也存在静电相互作用。当使用铝等低功功能金属时，FET在E模式下工作。对于金等高功函数栅金属，在零栅极电压下，沟道中会感应出一定数量的空穴。这导致通道中产生大量电流，这称为 D 模式操作。
作为对他们开创性实验工作的补充，研究团队采用了先进的TCAD设备模拟，这有助于验证他们的发现。这些仿真生成了感应空穴密度的彩色等值线图，为栅极金属功函数对FET工作模式的影响提供了视觉和理论验证。这种将实验数据与仿真见解相结合的综合方法不仅提高了研究的可信度，还强调了其对技术进步和制造业规模扩大潜力的重要性。
来自印度SRMIST的主要作者Abhay Sagade博士透露，对于薄的介电厚度观察到的影响是深远的。“对于较大厚度，即使对于高功函数栅极金属，FET也保持增强模式，”他指出。“这个概念可以很容易地扩展到任何薄的有机、无机和新一代2D材料。
这项研究的一个重要方面是关注FET中使用的介电层的厚度。研究人员发现，观察到的效应 - 在增强和耗尽模式之间切换 - 对于薄电介质，特别是那些小于10纳米的电介质，是明显的。这一发现强调了介电厚度在影响FET行为中的关键作用，强调了对材料特性进行精确控制以实现所需器件性能的必要性。
使用这种方法，应该可以制造更紧凑的精确和可重构的数字逻辑和振荡器器件和电路。此外，具有改进电流的D型OFET可以有效地用于高频应用。这也对即将到来的量子器件和使用小维敏感器件的技术应用产生了巨大影响。
除了对数字逻辑和振荡器器件的直接好处外，在工作模式之间选择性切换的能力为高频应用带来了巨大的希望，有可能彻底改变下一代量子器件的设计。这种方法的多功能性为创新的电子元件铺平了道路，这些元件不仅更高效、更紧凑，而且高度可重构，满足现代技术领域的多样化需求。
