De meeste labtests verhogen stilletjes de prestaties van 2D-transistors, onthult onderzoek | Andrew Tie, Duke University Silicium is al lange tijd de halfgeleider bij uitstek voor het maken van transistors, maar moderne technologie duwt de intrinsieke beperkingen van het materiaal. Componenten die in transistors worden aangetroffen, zijn al zo dun als de natuurkunde toelaat. Om deze limieten te overschrijden, verkennen onderzoekers verschillende materialen die nog steeds kunnen functioneren, zelfs als ze slechts één of twee atomen dik zijn - de zogenaamde 2D-materialen. Hoe back-gated testen resultaten vertekenen Om de prestaties van die materialen te bestuderen, vertrouwen onderzoekers vaak op een eenvoudige "back-gated" architectuur die alle componenten van de transistor op een enkel stuk silicium bouwt om de fabricage te vergemakkelijken en snelle experimenten mogelijk te maken. In deze opstelling zit een ultradunne 2D-halfgeleider zoals molybdeendisulfide (MoS₂) tussen twee metalen contactelektroden die stroom door de halfgeleider laten lopen. De stroomstroom wordt in- of uitgeschakeld met behulp van het silicium substraat als de poortcontrole. Echter, de poort moduleert niet alleen het 2D-halfgeleiderkanaal; in de "back-gate" architectuur beïnvloedt het ook het gedeelte van de halfgeleider dat onder de metalen contacten ligt. Dit creëert een fenomeen dat "contact gating" wordt genoemd, een effect dat de prestaties van de transistor versterkt door de contactweerstand te verlagen met behulp van de poort. Hoewel deze verbetering in prestaties in eerste instantie aantrekkelijk is en wat de onderzoekers willen, kan de back-gated architectuur niet worden gebruikt in een echt apparaat vanwege snelheidsbeperkingen en elektrische stroomlekkage die bijwerkingen van de architectuur zijn. "Prestaties versterken klinkt als een goede zaak," zei Franklin. "Maar terwijl deze architectuur geweldig is voor basis testen in een lab, heeft het fysieke beperkingen die voorkomen dat het in een echte apparaattechnologie wordt gebruikt." Een eerlijker testapparaat bouwen Om deze onderliggende bijdragende factor te onthullen die aanwezig is in honderden laboratoriumstudies over 2D-transistors, heeft Victoria Ravel, een Ph.D. student in Franklin's lab, een jaar besteed aan het fabriceren van een nieuwe apparaatarchitectuur die het team in staat stelt direct te meten hoeveel contact gating hun prestaties verandert. Ze bouwde een symmetrische dual-gate transistor, die poorten boven en onder hetzelfde 2D-halfgeleiderkanaal, contacten en materialen omvat. Het enige verschil tussen het bedienen van het apparaat met de back- of bovenste poort was of contact gating aanwezig was, zodat ze een een-op-een vergelijking kon maken. "Met fabricage weet je nooit wat je tegenkomt," zei Ravel. "Wanneer je fabriceert op zulke kleine afmetingen, beginnen dingen echt moeilijk te worden met wat je binnen de fysieke limieten kunt doen." De resultaten waren opvallend. In grotere apparaten verdubbelde contact gating de prestaties ongeveer. Toen Ravel de apparaten verkleinde tot kleine afmetingen die relevant zijn voor toekomstige technologieën, nam het contact gating-effect toe. Bij een kanaallengte van 50 nanometer en contactlengtes van 30 nanometer, verhoogde contact gating de prestaties tot zes keer. Naarmate apparaten krimpen, legde Franklin uit, domineren de contacten de algehele prestaties. Elke mechanisme dat het contactgedrag verandert, wordt steeds belangrijker. Omdat de meeste 2D-transistorresultaten die door de jaren heen zijn gerapporteerd, gebruik hebben gemaakt van back-gated architecturen, hebben de bevindingen van Franklin en Ravel brede implicaties. Volgende stappen naar realistische 2D-apparaten Vervolgens is het team van plan om de schaalvergroting nog verder te duwen, met contactlengtes tot 15 nanometer, en alternatieve contactmetalen te onderzoeken om de contactweerstand te verlagen. Het bredere doel is om duidelijkere ontwerprichtlijnen vast te stellen voor het integreren van 2D-halfgeleiders in toekomstige transistor technologieën. "Als 2D-materialen ooit siliciumkanalen gaan vervangen," zei Franklin, "moeten we eerlijk zijn over hoe apparaatarchitectuur vormt wat we meten. Dit werk gaat over het leggen van die basis."