Подавление гистерезиса в ультратонких транзисторах на основе теллура

Почему этот крошечный переключатель важен

Каждое цифровое устройство опирается на миллиарды крошечных переключателей — транзисторов. По мере того как инженеры стремятся упаковать больше переключателей в всё меньшие объёмы, они изучают новые материалы, подходящие для многослойных трёхмерных чипов. В этом исследовании рассматриваются ультратонкие плёнки теллура, редкого элемента, хорошо проводящего положительные носители, и ставится практический вопрос: как сделать так, чтобы теллуровые транзисторы переключались чётко и надёжно, а не вели себя как «прыгающие», с эффектом памяти?

Обещание и проблема теллура

За последнее время теллур привлёк внимание как перспективный кандидат на роль «нехватающейся половины» будущих энергоэффективных схем: эффективных p‑типа транзисторов для переноса положительных зарядов. Он обеспечивает высокую подвижность носителей, может быть изготовлен толщиной всего в несколько нанометров и обрабатываться при относительно низких температурах, совместимых с существующими производственными линиями на основе кремния. Однако устройства на теллуре часто демонстрируют значительное несоответствие между включением при изменении управляющего напряжения в одну сторону и выключением при обратном ходе. Этот эффект, называемый гистерезисом, вызывает дрейф точки переключения и подрывает стабильность, необходимую для логических и запоминающих схем.

Молекулы газа как незримые нарушители

Исследователи сначала изучили плёнки теллура, выращенные методом криогенной испарительной конденсации, который даёт гладкие кристаллические слои, пригодные для продвинутых устройств. При измерениях открытых устройств в обычном воздухе кривые ток–напряжение демонстрировали сильный гистерезис и внезапные скачки. Проведение тех же тестов в вакууме резко уменьшало этот эффект, указывая на роль молекул окружающего воздуха. Команда предположила, что полярные газовые молекулы, адсорбируясь на поверхности теллура, действуют как крошечные вращающиеся диполи, реагирующие на приложенное напряжение. При смене направления сканирования напряжения эти диполи перенаправляются, временно усиливая или ослабляя заряд в канале, что приводит к резким изменениям тока и большим сдвигам видимого порогового напряжения.

Запечатывание поверхности и укрощение ловушек зарядов

Чтобы справиться с этими поверхностными эффектами, команда нанесла тонкие изолирующие покрытия поверх теллура. Они сравнили слои диоксида кремния и оксида алюминия, оба отложенные при низких температурах, сохраняющих материал. Простое покрытие теллура существенно уменьшило газо‑обусловленный гистерезис, подтвердив, что блокировка молекул воздуха — эффективный первый шаг. Устройства с покрытием оксидом алюминия показали лучшие показатели: больший ток, лучшую подвижность и более стабильное поведение по сравнению с оксидом кремния. Тем не менее оставался меньший, но заметный гистерезис, особенно при широком диапазоне управляющих напряжений или медленных скоростях сканирования, что указывает на захват зарядов внутри или вблизи изолирующих слоёв.

Двойное управление для каменно‑твёрдого переключения

Для дополнительной стабилизации устройства исследователи создали структуру с двойным затвором, в которой ультратонкий слой теллура зажат между слоями оксида алюминия с обеих сторон и управляется верхним и нижним затворами. Эта конструкция не только экранирует канал от внешней среды, но и обеспечивает более жёсткий электростатический контроль. Измерения показали, что устройства с двойным затвором имеют очень малый гистерезис, плавные кривые тока без резких скачков и высокие коэффициенты включения/выключения в обычном воздухе. Даже при крайне медленном сканировании напряжения или при длительном удержании под смещением гистерезис оставался ниже примерно одного вольта, а ток переключения практически не менялся.

Что это значит для будущих чипов

Проще говоря, исследование показывает, что «прыгающее» поведение ультратонких теллуровых транзисторов в основном вызвано молекулами воздуха, прилипшими к поверхности и перенаправляющимися при работе устройства, с меньшим вкладом со стороны захваченных зарядов в изоляционных слоях. Запечатывая теллур плотным оксидом алюминия и используя два затвора для управления, команда превращает непостоянный переключатель в стабильный с высокой производительностью. Такой подход приближает теллуровые устройства к практическому применению в многослойных трёхмерных компоновках, где надёжные p‑типа транзисторы необходимы для энергоэффективной и плотной электроники.

Цитирование: Wang, ST., Li, KW., Weng, TT. et al. Suppression of hysteresis in ultrathin tellurium transistors. npj 2D Mater Appl 10, 55 (2026). https://doi.org/10.1038/s41699-026-00686-1

Ключевые слова: транзисторы на основе теллура, гистерезис, устройства с двойным затвором, 2D‑полупроводники, интеграция 3D‑чипов