Advance kan 2D-transistors inschakelen voor kleinere microchipcomponenten

De wet van Moore, de beroemde voorspelling dat het aantal transistors dat op een microchip kan worden verpakt om de paar jaar zal verdubbelen, stuitte op fysieke basislimieten. Deze limieten zouden decennia van vooruitgang tot stilstand kunnen brengen, tenzij er nieuwe benaderingen worden gevonden.

Een nieuwe richting die wordt onderzocht, is het gebruik van atomair dunne materialen in plaats van silicium als basis voor nieuwe transistors, maar het is moeilijk gebleken om die “2D” -materialen met andere conventionele elektronische componenten te verbinden.

Nu hebben onderzoekers van MIT, de University of California in Berkeley, de Taiwan Semiconductor Manufacturing Company en elders een nieuwe manier gevonden om die elektrische verbindingen tot stand te brengen, wat zou kunnen helpen om het potentieel van 2D-materialen te ontketenen en de miniaturisatie van componenten te bevorderen – mogelijk genoeg om de wet van Moore uit te breiden, althans voor de nabije toekomst, zeggen de onderzoekers.

De bevindingen worden deze week beschreven in het tijdschrift Nature, in een paper van recente MIT-afgestudeerden Pin-Chun Shen Ph.D. ’20 en Cong Su Ph.D. ’20, postdoc Yuxuan Lin Ph.D. ’19, MIT-professoren Jing Kong, Tomas Palacios en Ju Li, en 17 anderen aan MIT, UC Berkeley en andere instellingen.

“We hebben een van de grootste problemen bij het miniaturiseren van halfgeleiderapparaten opgelost, de contactweerstand tussen een metalen elektrode en een monolaag halfgeleidermateriaal”, zegt Su, die nu bij UC Berkeley werkt. De oplossing bleek eenvoudig te zijn: het gebruik van een halfmetaal, het element bismut, om de plaats in te nemen van gewone metalen om zich te verbinden met het monolaagmateriaal.

Dergelijke ultradunne monolaagmaterialen, in dit geval molybdeendisulfide, worden gezien als een belangrijke kanshebber om de miniaturisatielimieten te omzeilen die nu worden aangetroffen door op silicium gebaseerde transistortechnologie. Maar het creëren van een efficiënte, sterk geleidende interface tussen dergelijke materialen en metalen geleiders, om ze met elkaar en met andere apparaten en stroombronnen te verbinden, was een uitdaging om de voortgang naar dergelijke oplossingen tegen te houden, zegt Su.

Het grensvlak tussen metalen en halfgeleidermaterialen (inclusief deze monolaag halfgeleiders) produceert een fenomeen genaamd metal-induced gap state, wat leidt tot de vorming van een Schottky-barrière, een fenomeen dat de stroom van ladingsdragers remt. Het gebruik van een halfmetaal, waarvan de elektronische eigenschappen tussen die van metalen en halfgeleiders vallen, in combinatie met de juiste energie-uitlijning tussen de twee materialen, bleek het probleem te elimineren.

Lin legt uit dat het snelle tempo van de miniaturisatie van de transistors waaruit computerprocessors en geheugenchips bestaan, al eerder, rond 2000, tot stilstand is gekomen, totdat een nieuwe ontwikkeling die een driedimensionale architectuur van halfgeleiderapparaten op een chip mogelijk maakte, de vastloper in 2007 doorbrak. en snelle vooruitgang werd hervat. Maar nu, zegt hij, ‘denken we dat we aan de rand van een ander knelpunt staan’.

Zogenaamde tweedimensionale materialen, dunne vellen van slechts één of enkele atomen dik, voldoen aan alle vereisten om een ​​verdere sprong in de miniaturisatie van transistors mogelijk te maken, waardoor een belangrijke parameter, de kanaallengte, mogelijk meerdere malen wordt verkleind – van ongeveer 5 naar 10 nanometers, in de huidige geavanceerde chips, tot een subnanometerschaal. Een verscheidenheid aan dergelijke materialen wordt op grote schaal onderzocht, waaronder een hele familie van verbindingen die bekend staan ​​als overgangsmetaaldichalcogeniden. Het molybdeendisulfide dat in de nieuwe experimenten wordt gebruikt, behoort tot deze familie.

De kwestie van het bereiken van een metaalcontact met lage weerstand met dergelijke materialen heeft ook fundamenteel onderzoek naar de fysica van deze nieuwe monolaagmaterialen belemmerd. Omdat bestaande verbindingsmethoden zo’n hoge weerstand hebben, zijn de minuscule signalen die nodig zijn om het gedrag van elektronen in het materiaal te volgen te zwak om er doorheen te komen. “Er zijn talloze voorbeelden uit de natuurkunde die vragen om een ​​lage contactweerstand tussen het metaal en een halfgeleider. Het is dus ook een enorm probleem in de natuurkundige wereld”, zegt Su.

Uitzoeken hoe dergelijke systemen op commercieel niveau kunnen worden opgeschaald en geïntegreerd, kan enige tijd in beslag nemen en moet verder worden ontwikkeld. Maar voor dergelijke fysische toepassingen, zeggen de onderzoekers, was de impact van de nieuwe bevindingen snel voelbaar. “Ik denk dat in de natuurkunde veel experimenten onmiddellijk van deze technologie kunnen profiteren”, zegt Su.

Ondertussen blijven de onderzoekers hun onderzoek doen, waarbij ze de grootte van hun apparaten blijven verkleinen en op zoek gaan naar andere materiaalparen die mogelijk betere elektrische contacten mogelijk maken met het andere type ladingsdragers, ook wel gaten genoemd. Ze hebben het probleem voor de zogenaamde N-type transistor opgelost, maar als ze een combinatie van kanaal- en elektrisch contactmateriaal kunnen vinden om ook een efficiënte monolaag P-type transistor mogelijk te maken, zou dat veel nieuwe mogelijkheden openen voor de volgende generatie. chips, zeggen ze.