2D-interfaces in toekomstige transistors zijn misschien niet zo plat als eerder werd gedacht

Transistors zijn de bouwstenen van moderne elektronica, die in alles worden gebruikt, van televisies tot laptops. Omdat transistors kleiner en compacter zijn geworden, is elektronica dat ook geworden. Daarom is je mobiele telefoon een superkrachtige computer die in de palm van je hand past.

Maar er is een schaalprobleem: transistors zijn nu zo klein dat ze moeilijk uit te schakelen zijn. Een belangrijk element van het apparaat is het kanaal dat ladingsdragers (zoals elektronen) tussen elektroden verplaatsen. Als dat kanaal te kort wordt, zorgen kwantumeffecten ervoor dat elektronen effectief van de ene naar de andere kant springen, zelfs als dat niet zou moeten.

Een manier om voorbij deze wegversperring op het gebied van grootte te komen, is door lagen van 2D-materialen – die slechts één atoom dik zijn – als kanaal te gebruiken. Atomair dunne kanalen kunnen helpen om nog kleinere transistoren mogelijk te maken door het voor de elektronen moeilijker te maken om tussen elektroden te springen. Een bekend voorbeeld van een 2D-materiaal is grafeen, waarvan de ontdekkers in 2010 de Nobelprijs voor natuurkunde wonnen. Maar er zijn ook andere 2D-materialen, en velen geloven dat ze de toekomst van transistors zijn, met de belofte om de kanaaldikte te verkleinen vanaf de huidige 3D-limiet van enkele nanometers (nm, miljardsten van een meter) tot minder dan een enkele nanometer dikte.

Hoewel het onderzoek op dit gebied is geëxplodeerd, is één probleem voortdurend over het hoofd gezien, volgens een team van wetenschappers van het National Institute of Standards and Technology (NIST), Purdue University, Duke University en North Carolina State University. De 2D-materialen en hun interfaces – waarvan onderzoekers van plan zijn plat te zijn wanneer ze op elkaar worden gestapeld – zijn misschien niet vlak. Deze niet-vlakheid kan op zijn beurt de prestaties van het apparaat aanzienlijk beïnvloeden, soms op goede en soms op slechte manieren.

In een nieuwe studie gepubliceerd in het nummer van 26 april 2022 van ACS Nano, rapporteert het onderzoeksteam de resultaten van hun metingen van de vlakheid van deze interfaces in transistorapparaten die 2D-materialen bevatten. Zij zijn de eerste groep die microscopiebeelden met hoge resolutie maakt die de vlakheid van deze 2D-lagen laten zien in complete apparaatarrays, op relatief grote schaal – ongeveer 12 micrometer (miljoensten van een meter) in tegenstelling tot de meer gebruikelijke 10-nm tot 100- nm bereik.

Wetenschappers hebben met succes een reeks 2D-2D- en 2D-3D-interfaces in beeld gebracht in apparaten die ze hebben gemaakt met behulp van een verscheidenheid aan veelgebruikte fabricagemethoden. Hun resultaten laten zien dat de veronderstelling dat interfaces plat zijn terwijl ze dat niet zijn, een veel groter probleem is dan onderzoekers in het veld zich misschien hadden gerealiseerd.

“We informeren de gemeenschap over een probleem dat over het hoofd is gezien”, zegt Curt Richter van NIST. “Het houdt de acceptatie van de nieuwe materialen tegen. De eerste stap om het probleem op te lossen, is weten dat je een probleem hebt.”

Mogelijke voordelen zijn onder meer dat de wetenschappelijke gemeenschap meer controle krijgt over de fabricage van hun apparaten.

“Een gebrek aan begrip over vlakheid van 2D-interfaces is een belangrijke wegversperring voor het verbeteren van apparaten op basis van 2D-materialen”, zei hoofdauteur Zhihui Cheng van NIST en Purdue University op het moment van publicatie. “We hebben een methode ontwikkeld om vlakheid tot angstrom-resolutie te kwantificeren. Dit opent veel vensters voor mensen om de spanning en interacties op de 2D-interfaces te verkennen.”

Niet zo plat als je denkt

In een traditionele transistor geeft een 3D-bronelektrode elektronen af ​​via een 3D-kanaal naar een 3D-afvoerelektrode. In 2D-transistors reizen elektronen door een 2D-materiaal. De gebieden waar deze verschillende materialen elkaar ontmoeten, worden interfaces genoemd.

Een gebrek aan vlakheid bij deze interfaces kan problemen veroorzaken met de stroomtoevoer in apparaten die 2D-materialen gebruiken. Als er bijvoorbeeld intiem fysiek contact is tussen het bronmetaal en het 2D-kanaal, dan zal er ook intiem elektrisch contact zijn en zal de stroom soepel vloeien. Omgekeerd brengen openingen tussen het 2D-kanaalmateriaal en de bron het elektrische contact in gevaar, waardoor de stroom wordt verminderd.

In hun paper onderzoeken de onderzoekers verschillende soorten 2D-interfaces, waaronder die gemaakt tussen bron- en afvoerelektroden van nikkel, een 2D-kanaal gemaakt van het 2D-kristal molybdeendisulfide (MoS₂), een inkapselingslaag van het kristal zeshoekige boornitride (hBN) en aluminiumoxide.

Wetenschappers plaatsen de 2D- en 3D-materialen meestal op elkaar tijdens het fabricageproces van het apparaat. Onderzoekers stapelen bijvoorbeeld soms 2D-materialen op vooraf gevormde metalen contacten. Maar het onderzoeksteam ontdekte dat dit soort stapelen van 2D-materialen een diepgaand effect had op hun vlakheid, vooral in de buurt van het contactgebied. Het toevoegen van hBN veroorzaakte de MoS₂ aan één kant van het contact tot 10 nm vervormen. Gebieden verder van de contacten waren meestal relatief vlak, hoewel sommige van deze gebieden nog steeds een opening van 2 tot 3 nm hadden.

Tijdens het testen van de effecten van atomaire laagafzetting (een veelgebruikte techniek die wordt gebruikt om een ​​dunne laag materiaal neer te leggen) op de vlakheid van de 2D-interface, ontdekte het onderzoeksteam dat een directe interface tussen aluminiumoxide en MoS₂ is meer vervormd dan de interfaces tussen hBN en MoS₂. Bij het onderzoeken van de vlakheid van de 3D-2D-contactinterface, ontdekte het team verrassend grote nanoholtes die zich vormden in de interface tussen de nikkelcontacten en de 2D MoS₂ kanaal.

Om deze niet-platte interfaces weer te verbinden met echte zorgen over apparaatprestaties, testte het team de elektrische eigenschappen van een transistor gemaakt van deze materialen. Onderzoekers ontdekten dat de toegevoegde niet-vlakheid in het kanaal het effect had dat de prestaties van het apparaat daadwerkelijk verbeterden.

“Over het algemeen laten deze resultaten zien hoeveel de structuur van 2D-2D- en 2D-3D-interfaces afhangt van zowel de materialen als het fabricageproces,” zei Cheng.

Om zijn waarnemingen te doen, gebruikte de groep een soort scanning transmissie-elektronenmicroscopie met hoge resolutie (scanning TEM), in staat om de beelden op te lossen tot op het niveau van enkele atomen.

“Zoveel van dit veld is puur onderzoek,” zei Richter. “Mensen zullen één apparaat maken of misschien twee, en ze hebben geen extra’s die ze aan een microscopist kunnen geven om uit elkaar te halen.” In dit onderzoek daarentegen was het hele punt om de apparaten te maken en ze vervolgens te analyseren.

“We hebben niets bijzonders gedaan met de metingen”, vervolgde Richter. “Maar de combinatie van de knowhow op het gebied van elektrische metingen en de TEM-expertise met hoge resolutie – dat is niet gebruikelijk.”

“Met de sub-angstrom-resolutie en recordlengte in transversale TEM, plus de correlatie met apparaatkenmerken, heeft ons werk de gezichtspunten over de complexiteit en ingewikkeldheid van 2D-interfaces uitgebreid en verdiept”, zei Cheng.

Met voordelen voor iedereen

Toepassingen van het werk zijn onder meer het verminderen van onbedoelde variatie van apparaat tot apparaat, waarvan 2D-vlakheid een belangrijke factor is, aldus de onderzoekers.

De beeldvormingsmethode zou wetenschappers uiteindelijk ook meer controle kunnen geven over de fabricage. Bepaalde processen veroorzaken mechanische spanning in de 2D-structuren, ze draaien ze als een uitgewrongen washandje of knijpen en rekken ze uit als een accordeon. Dit kan de prestaties van een apparaat veranderen op onvoorspelbare manieren die wetenschappers nog niet volledig begrijpen. Een beter begrip van hoe spanning de prestaties van het apparaat beïnvloedt, kan onderzoekers meer controle geven over deze prestaties.

“Strain is niet altijd een slechte zaak,” zei Richter. “De high-end transistors die mensen tegenwoordig maken, hebben eigenlijk ingebouwde spanning om ze beter te laten werken. Met de 2D-materialen is het niet zo duidelijk hoe dat te doen, maar het kan mogelijk zijn om niet-vlakheid te gebruiken om de spanning te creëren die je wilt .”

De auteurs hopen dat hun werk nieuwe inspanningen zal inspireren om de resolutie van vlakheidsmetingen voor 2D-interfaces te verhogen, zelfs tot sub-angstrom-resolutie.

“We hebben wat voorlopige gegevens, maar het is eigenlijk nog maar het begin van dit onderzoek”, zei Cheng.