使用2D半导体制造的运算放大器

维也纳理工大学、比萨大学和AMO有限公司的研究人员最近采用二维半导体MoS2制造了一种模拟运算放大器,是基于局部背栅n通道MoS2场效应晶体管。值得一提的是,它是迄今为止开发的基于二维半导体的最复杂、最精密的模拟电路之一。研究成果发表在《自然电子学》上,证实了相对于硅,二维半导体在模拟电子学发展上的优势。

使用2D半导体制造的运算放大器

我们的MoS2薄膜的CVD生长所使用炉设置示意图。该过程的结果是在蓝宝石基板上形成近1cm2的MoS2薄膜。在生长基底外缘形成的孤立单层单晶三角晶粒MoS2迅速变密,并向样品内部凝聚成连续的单层MoS2薄膜。

需求背景

模拟电子器件是指工作时电流和电压随时间连续变化的电子系统,而不是像数字电子器件那样只在两级之间切换。现有的模拟器件大多由硅制成。然而,由于人们对能够集成在各种设备中的电子器件的迫切需求,研究人员最近开始探索使用替代材料制造模拟元件的可能性。

进行这项研究的研究人员之一Dmitry K.Polyushkin说:“几年前,我们成功地展示了一个二维微处理器之后,我们想把研究扩展到二维电子学领域,并发现二维半导体的模拟电子学领域仍然没有得到很好的研究。很多人都听说过数字电子学,对应的模拟电子学在现代研究中却黯然失色。然而,许多电子设备都包含了许多模拟元件。”

研究成果

Polyushkin及其同事们进行研究的主要目的是利用一种二维半导体制造一种运算放大器,这是模拟电子器件的基本构件。随后,研究人员计划用这种半导体放大器来构建各种不同的模拟电路,以测试它的潜力和性能。

事实证明,二维半导体过渡金属二盐基化物(TMD),如二硫化钼(MoS2),对模拟电子技术的发展特别有前途。这些材料具有许多有利的特性,包括很好的静电控制能力、相当的机械灵活性和内在的薄度。

使用2D半导体制造的运算放大器

a)运放电路;b)由64个运放和测试晶体管组成的芯片的光学显微图;c)光电检测电路的原理图;d)白炽灯照明下检测电路的输出电压信号。

面临挑战

Polyushkin说:“当我们开始研究二维模拟电子器件时,文献中只报道了一些演示模拟器件的尝试,我们的目标是实现一个完全运行的放大器,并在此基础上构建不同类型的模拟电路。这里最大的挑战是电路器件的稳定性。”

与数字电子器件相比,模拟器件要求其电路中的每一个元件都具有高度稳定和可重复的参数。使用传统的二维晶体管很难实现,因为它们对电路中不同元素相关参数的变化(如氧化物参数、掺杂水平等)非常敏感。研究人员试图通过利用他们所使用的材料的优势特性来规避这些问题。

使用2D半导体制造的运算放大器

测试结果

Polyushkin说:“为了降低设备与设备之间的差异性,我们在制造过程中格外小心,得益于均匀的CVD生长的MoS2薄膜,我们成功地实现了单晶体管的优异性能,滞后性小,ON/OFF比超过8个数量级,迁移率高达近20cm2/Vs。对40多个器件的评估表明,在阈值电压和电荷载流子迁移率变化不大的情况下,具有良好的重现性。这种显著的性能使我们能够将晶体管组合成一个总增益为43dB的4级放大器,与建模的结果非常一致。”

在Polyushkin和他的同事进行的评估中,他们的运算放大器实现了高频工作,单体增益频率为0.3MHz。为了进一步证明其潜力和适用性,研究人员用该放大器制造了一些通常用于制造电子器件的反馈电路,包括一个反相放大器、一个积分器、一个对数放大器和一个跨阻抗放大器。

应用和意义

Polyushkin说“我们使用运算放大器的应用之一是跨阻抗放大器,这是一种将照明光电二极管的电流转换为输出电压的电子器件,我们的结果很好地显示了测量中用作光源的经典白炽灯泡的100赫兹闪烁特征。”

总的来说,这个研究小组收集到的结果表明,他们制造的运算放大器与类似的硅基电子器件相比具有优势,同时也适用于更广泛的应用。虽然该放大器仍然是一个原型,其参数需要改进才能在实际环境中应用,但Polyushkin和他的同事进行的分析表明,以工业规模制造该放大器是可行的。

Polyushkin说:“二维材料拥有许多有利的特性,可以实现标准硅技术几乎不可能实现的组件,如柔性和透明的电子器件等。然而,到目前为止,大多数二维电子器件都是在刚性基板上实现的。要想充分发挥二维材料的潜力,就必须在柔性和透明表面上实现。我们相信,这将是下一个需要克服的挑战,以实现二维电子领域的实际应用。”

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