Ученые НИЯУ МИФИ изучили высокую подвижность электронов и дырок в новом 2D-материале - карбиде фосфора. Этот материал может стать идеальной основой для транзисторов с высокой подвижностью электронов, необходимых для совершенствования радиолокационных станций и систем спутниковой связи. Результаты исследования опубликованы в высокорейтинговом журнале The Journal of Physical Chemistry Letters .
Карбид фосфора относится к относительно новому классу двухслойных 2D-структур с ковалентными С-С связями между слоями, в то время как в «классических» двухслойных гетероструктурах слои связаны лишь ван-дер-ваальсовыми силами, сообщил автор исследования, профессор НИЯУ МИФИ Константин Катин.
«Самая заманчивая для электронного инжиниринга особенность карбида фосфора - сильная анизотропия подвижности. Можно сказать, что «вязкость» этого материала по отношению к носителям заряда - электронам и дыркам – неодинакова в разных направлениях», – рассказал он.
Однако, по словам исследователя, этот очень полезный эффект размывается из-за наличия дефектов, которые увеличивают и выравнивают «вязкость» материала во всех направлениях. Носители заряда как будто «врезаются» в дефекты и отскакивают от них в случайных направлениях. В результате катастрофически падает быстродействие электронных приборов.
В отличие от чисто углеродных материалов (например, графена), в карбиде фосфора вероятны дефекты типа «перестановка», когда атомы углерода и фосфора меняются местами и занимают «не свои» места. Обеспечить идеальный порядок на атомистическом уровне в процессе изготовления материала невозможно, поэтому ученые НИЯУ МИФИ поставили перед собой задачу определить, насколько такие дефекты губительны для подвижности носителей.
«Мы обнаружили, что существует диапазон «безопасных» концентраций дефектов, которые почти не влияют на свойства материала. После превышения некоторого порога концентраций, дефекты превращаются в «ловушки» для электронов и дырок и препятствуют их движению. При ещё более высоких концентрациях дефекты так сильно искажают свойства исходного материала, что меняются даже эффективные массы носителей. Самое неожиданное – это то, что подвижность за счёт этого эффекта может даже вырасти», – отметил Константин Катин.
Исследователи установили, что карбид фосфора может сохранять высокую анизотропную подвижность даже при нагревании до 1000 К – температуры, достаточной для реализации большинства технологических операций.
«Такая устойчивость поможет карбиду фосфора заменить анизотропные дихалькогениды германия и рения при производстве поляризационно-чувствительных фотоприемников, диодов, интегрированных цифровых инверторов и синаптических элементов для нейроморфных устройств. А благодаря лучшей анизотропии и большей подвижности носителей в карбиде фосфора эти устройства станут надежнее и смогут работать быстрее», – заключил ученый.
Следующим этапом исследования, по его словам, станет изготовление и характеризация транзистора на основе этого материала.
