电子通过三层hBN逃逸。insets:Theresa Knobloch和Tibor Grasser Jean M. Favre，CSCS数十年来，微电子领域一直有一种趋势，即晶体管越来越小、越来越紧凑。石墨烯等2D材料在这里被视为ho pe的灯塔:它们是可能存在的最薄的材料层，仅由一层或几层原子层组成。然而，它们可以传导电流——另一方面，如果硅层变得太薄，传统的硅技术就无法正常工作。然而，这种材料不是在真空中使用的；它们必须与合适的绝缘体结合在一起——为了将它们与不必要的环境影响隔离开来，也为了通过所谓的场效应来控制电流。到目前为止，六方氮化硼(hBN)经常被用于这一目的，因为它为2D材料形成了良好的环境。然而，TU Wien与苏黎世联邦理工学院、俄罗斯Ioffe研究所以及沙特阿拉伯和日本的研究人员合作进行的研究现在表明，与以前的假设相反，薄的hBN层不适合作为未来小型化场效应晶体管的绝缘体，因为会出现过高的泄漏电流。因此，如果2D材料真的要彻底改变半导体行业，人们必须开始寻找其他绝缘体材料。这项研究现已发表在科学杂志《自然电子》上。
被认为是完美的绝缘材料
“乍看之下，六方氮化硼比任何其他绝缘体都更适合石墨烯和二维材料，”该研究的第一作者特蕾莎·克诺布洛赫(Theresia Knobloch)表示，她目前正在图维恩微电子研究所蒂博尔·格拉斯(Tibor Grasser)的团队中撰写论文。"就像2D半导体材料一样，hBN由相互间只有微弱结合的单个原子层组成."
因此，hBN可以很容易地用于制造原子级光滑的表面，不会干扰电子通过2D材料的传输。“你可能会认为hBN是完美的材料——既可以作为放置薄膜半导体的衬底，也可以作为制造场效应晶体管所需的栅极绝缘体，”蒂博尔·格拉斯说。
泄漏电流小，影响大
晶体管可以比作水龙头——只是电流被打开和关闭，而不是水流。和水龙头一样，对于晶体管来说，阀门本身不会有任何泄漏是非常重要的。
这正是晶体管中栅极绝缘体的作用:它将控制电极与半导体沟道本身隔离开来，电流通过控制电极开关。一个现代微处理器包含大约500亿个晶体管——所以即使是栅极电流的微小损失也能发挥巨大的作用，因为它显著增加了总能耗。
在这项研究中，研究小组通过实验和理论计算研究了流过薄hBN层的漏电流。他们发现，使hBN成为如此合适的衬底的一些特性也显著增加了通过hBN的漏电流。氮化硼的介电常数很小，这意味着材料与电场的相互作用很弱。因此，小型化晶体管中使用的hBN层必须只有几个原子层厚，这样栅极的电场才能充分控制沟道。然而，与此同时，在这种情况下，漏电流变得太大，因为当减小层厚度时，漏电流呈指数增长。
寻找绝缘体
“我们的结果表明，hBN不适合作为基于2D材料的小型化晶体管的栅极绝缘体，”Tibor Grasser说。“这一发现是未来研究的重要指南，但这只是为最小的晶体管寻找合适绝缘体的开始。目前，没有一种已知的材料体系能够满足所有要求，但找到合适的材料体系只是时间和资源的问题。”
“问题很复杂，但这使得许多科学家致力于寻找解决方案变得更加重要，因为我们的社会未来将需要小型、快速，最重要的是节能的计算机芯片，”特蕾莎·克诺布洛赫确信。
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