Die meisten Labortests übertreiben stillschweigend die Leistung von 2D-Transistoren, zeigt die Forschung | Andrew Tie, Duke University Silizium ist seit langem der Halbleiter der Wahl zur Herstellung von Transistoren, aber moderne Technologie stößt an die intrinsischen Grenzen des Materials. Bereits jetzt sind die Komponenten innerhalb von Transistoren so dünn, wie es die Physik erlaubt. Um über diese Grenzen hinauszugehen, erforschen Forscher verschiedene Materialien, die auch dann noch funktionieren können, wenn sie nur ein oder zwei Atome dick sind – sogenannte 2D-Materialien. Wie rückseitige Tests die Ergebnisse verzerren Um die Leistung dieser Materialien zu untersuchen, verlassen sich Forscher oft auf eine einfache "rückseitige" Architektur, die alle Komponenten des Transistors auf einem einzigen Siliziumstück aufbaut, um die Herstellung zu erleichtern und schnelle Experimente zu ermöglichen. In diesem Setup sitzt ein ultradünner 2D-Halbleiter wie Molybdändisulfid (MoS₂) zwischen zwei Metallkontakt-Elektroden, die Strom durch den Halbleiter leiten. Der Stromfluss wird ein- oder ausgeschaltet, indem das Siliziumsubstrat als Gate-Steuerung verwendet wird. Das Gate moduliert jedoch nicht nur den 2D-Halbleiterkanal; in der "Rückseitengate"-Architektur beeinflusst es auch den Teil des Halbleiters, der sich unter den Metallkontakten befindet. Dies schafft ein Phänomen, das als "Kontaktgating" bezeichnet wird, ein Effekt, der die Leistung des Transistors verstärkt, indem der Kontaktwiderstand mithilfe des Gates gesenkt wird. Obwohl diese Leistungsverbesserung zunächst attraktiv ist und das ist, was die Forscher wollen, kann die rückseitige Architektur aufgrund von Geschwindigkeitsbeschränkungen und elektrischem Stromleck, die Nebenwirkungen der Architektur sind, nicht in einem realen Gerät verwendet werden. "Die Verstärkung der Leistung klingt nach etwas Gutem", sagte Franklin. "Aber während diese Architektur großartig für grundlegende Tests im Labor ist, hat sie physikalische Einschränkungen, die verhindern, dass sie in einer tatsächlichen Gerätetechnologie verwendet wird." Einen faireren Testaufbau schaffen Um diesen zugrunde liegenden beitragenden Faktor, der in Hunderten von Laborstudien zu 2D-Transistoren vorhanden ist, offenzulegen, verbrachte Victoria Ravel, eine Doktorandin in Franklins Labor, ein Jahr damit, eine neue Gerätearchitektur zu entwickeln, die es dem Team ermöglicht, direkt zu messen, wie viel das Kontaktgating ihre Leistung verändert. Sie baute einen symmetrischen Dual-Gate-Transistor, der Gates über und unter demselben 2D-Halbleiterkanal, Kontakte und Materialien umfasst. Der einzige Unterschied zwischen der Steuerung des Geräts mit dem Rück- oder Obergate war, ob Kontaktgating vorhanden war, sodass sie einen Eins-zu-eins-Vergleich durchführen konnte. "Bei der Herstellung weiß man nie, worauf man stoßen wird", sagte Ravel. "Wenn man in so kleinen Dimensionen fertigt, wird es wirklich schwierig, was man innerhalb der physikalischen Grenzen tun kann." Die Ergebnisse waren auffällig. In größeren Geräten verdoppelte das Kontaktgating die Leistung ungefähr. Als Ravel die Geräte auf winzige Dimensionen reduzierte, die für zukünftige Technologien relevant sind, nahm der Effekt des Kontaktgatings zu. Bei einer Kanalänge von 50 Nanometern und Kontaktlängen von 30 Nanometern steigerte das Kontaktgating die Leistung um bis zu das Sechsfache. Wenn die Geräte schrumpfen, erklärte Franklin, dominieren die Kontakte die Gesamtleistung. Jeder Mechanismus, der das Kontaktverhalten verändert, wird zunehmend wichtig. Da die meisten über die Jahre berichteten Ergebnisse zu 2D-Transistoren rückseitige Architekturen verwendet haben, haben die Erkenntnisse von Franklin und Ravel weitreichende Implikationen. Nächste Schritte zu realistischen 2D-Geräten Als Nächstes plant das Team, das Skalieren noch weiter voranzutreiben, mit Kontaktlängen von bis zu 15 Nanometern, und alternative Kontaktmetalle zu untersuchen, um den Kontaktwiderstand zu reduzieren. Das übergeordnete Ziel ist es, klarere Entwurfsregeln für die Integration von 2D-Halbleitern in zukünftige Transistortechnologien zu etablieren. "Wenn 2D-Materialien eines Tages Siliziumkanäle ersetzen sollen", sagte Franklin, "müssen wir ehrlich sein, wie die Gerätearchitektur das, was wir messen, beeinflusst. Diese Arbeit dient dazu, dieses Fundament zu legen."