De flesta laboratorietester blåser tyst upp 2D-transistorprestandan, visar forskning | Andrew Tie, Duke University Kisel har länge varit den föredragna halvledaren för att tillverka transistorer, men modern teknik pressar materialets inneboende begränsningar. Redan nu är komponenterna i transistorer så tunna som fysiken tillåter. För att tänja på dessa gränser utforskar forskare olika material som fortfarande kan fungera även om de bara är en eller två atomer tjocka – så kallade 2D-material. Hur backgated testing snedvrider resultaten För att studera dessa materials prestanda förlitar sig forskare ofta på en enkel "back-gated" arkitektur som bygger alla transistorns komponenter på en enda bit kisel för att underlätta tillverkningen och möjliggöra snabba experiment. I denna uppsättning sitter en ultratunn 2D-halvledare som molybdendisulfid (MoS₂) mellan två metallkontaktelektroder som leder ström genom halvledaren. Strömflödet slås på eller av med kiselsubstratet som grindkontroll. Men grinden modulerar inte bara 2D-halvledarkanalen; I "backgate"-arkitekturen påverkar den också den del av halvledaren som ligger under metallkontakterna. Detta skapar ett fenomen som kallas "kontaktgating", en effekt som förstärker transistorns prestanda genom att sänka kontaktresistansen med hjälp av grinden. Även om denna prestandaförbättring till en början är attraktiv och vad forskarna vill ha, kan den bakgärmade arkitekturen inte användas i en verklig enhet på grund av hastighetsbegränsningar och läckage av elektrisk ström som är bieffekter av arkitekturen. "Att förstärka prestationen låter som något bra," sa Franklin. "Men även om denna arkitektur är utmärkt för grundläggande testning i ett laboratorium, har den fysiska begränsningar som hindrar den från att användas i en riktig enhetsteknologi." Bygga en rättvisare testanordning För att avslöja denna underliggande bidragande faktor som finns i hundratals laboratoriestudier på 2D-transistorer, tillbringade Victoria Ravel, doktorand i Franklins laboratorium, ett år med att tillverka en ny enhetsarkitektur som gör det möjligt för teamet att direkt mäta hur mycket kontaktgating påverkar deras prestanda. Hon byggde en symmetrisk dual-gate-transistor, som inkluderar grindar ovanför och under samma 2D-halvledarkanal, kontakter och material. Den enda skillnaden mellan att kontrollera enheten med bak- eller toppgrinden var om kontaktgating fanns där, så att hon kunde göra en en-till-en-jämförelse. "Med fabricering vet man aldrig vad man kan stöta på," sa Ravel. "När man tillverkar i så små dimensioner blir det riktigt svårt med vad man kan göra inom fysiska gränser." Resultaten var slående. I större enheter fördubblade kontaktgating ungefär prestandan. När Ravel skalade ner enheter till små dimensioner relevanta för framtida teknologier ökade kontaktgating-effekten. Vid en kanallängd på 50 nanometer och kontaktlängder på 30 nanometer ökade kontaktgating prestandan med upp till sex gånger. När enheterna krymper, förklarade Franklin, dominerar kontakterna den övergripande prestandan. Alla mekanismer som förändrar kontaktbeteendet blir allt viktigare. Eftersom de flesta 2D-transistorresultat som rapporterats genom åren har använt bakgated arkitekturer, har resultaten från Franklin och Ravel breda implikationer. Nästa steg mot realistiska 2D-enheter Därefter planerar teamet att driva skalningen ännu längre, med kontaktlängder ner till 15 nanometer, och undersöka alternativa kontaktmetaller för att minska kontaktmotståndet. Det bredare målet är att etablera tydligare designregler för att integrera 2D-halvledare i framtida transistorteknologier. "Om 2D-material en dag ska ersätta kiselkanaler," sa Franklin, "måste vi vara ärliga om hur enhetsarkitekturen formar vad vi mäter. Detta arbete handlar om att lägga den grunden."