Компьютеры, несмотря на всю их кажущуюся сложность, по сути, представляют собой просто большое количество электронных переключателей, которые включаются и выключаются в нужном порядке для обработки цифровой информации. Полупроводниковая технология сделала эти переключатели очень маленькими и невероятно быстрыми.
Полупроводниковый материал нитрид галлия обещает сделать их еще быстрее. Это связано с тем, что носители заряда в нитриде галлия, такие как электроны, могут перемещаться по материалу с высокой скоростью. Это делает GaN полезным в так называемых транзисторах с высокой подвижностью электронов, или HEMT, для высокочастотных и мощных приложений, включая зарядные устройства для мобильных телефонов, базовые станции 5G, радары и спутниковую связь.
Важнейшим аспектом для оптимизации работы HEMT является выполнение электрического соединения, которое включает или выключает транзистор. Эти так называемые затворы Шоттки могут страдать от высоких токов утечки, которые протекают даже тогда, когда транзистор находится в выключенном состоянии. Это приводит к высокому энергопотреблению и ограничивает напряжение, которое может быть подано до выхода устройства из строя.
Чжуанджу Ван из команды Сяохан Ли и Сянмин Сюй из команды Хусама Альшарифа вместе со своими коллегами из Индии и Китая показали, что эти ограничения могут быть сведены к минимуму путем изготовления затвора Шоттки из класса материалов, известных как MXenes: металлических двумерных переходных слоев атомарно тонкой структуры. карбиды, нитриды или карбонитриды металлов. Результаты исследования опубликованы в журнале Advanced Materials.
В то время как обычные металлы являются традиционным выбором для электрических контактов с GaN, химические взаимодействия между этими двумя материалами создают дефекты, которые могут задерживать электрический заряд и значительно ограничивать управляемость затвора. «Традиционные материалы для контакта с металлическими затворами были нанесены с использованием таких методов, как электронно-лучевое испарение и распыление, которые имеют прямую химическую связь с полупроводниковой подложкой», — объясняет Ван.
«Мы показали, что наш двумерный MXene создает так называемый ван-дер-ваальсовый контакт с полупроводниковой подложкой, что может значительно уменьшить межфазные ловушки и фиксированные заряды», — говорит он.
Команда KAUST создала GaN HEMT с затворным контактом, изготовленным из ультрачистых пленок MXene Ti3C2Tx. Их устройство демонстрировало ток в выключенном состоянии всего 10-7 миллиампер на миллиметр, что примерно на 1013 меньше тока, когда HEMT «включен». Это соотношение включения–выключения на шесть порядков выше по сравнению с устройствами с более традиционным никель–золотым контактом.
«Следующим шагом является использование MXenes в качестве контактного материала затвора Шоттки в других типах транзисторов, таких как Ga2O3, In2O3, NiO и AlN», — говорит Ван.
Альшариф говорит, что он и профессор Ли очень гордятся Чжуаньцзю и Сянмином за их креативность и трудолюбие. «Они заслуживают большой похвалы за успех этого проекта».