Większość testów laboratoryjnych cicho zawyża wydajność tranzystorów 2D, ujawnia badanie | Andrew Tie, Uniwersytet Duke'a Krzem od dawna jest półprzewodnikiem z wyboru do produkcji tranzystorów, ale nowoczesna technologia przekracza wewnętrzne ograniczenia tego materiału. Już teraz komponenty znajdujące się w tranzystorach są tak cienkie, jak pozwala na to fizyka. Aby przekroczyć te ograniczenia, badacze badają różne materiały, które mogą działać nawet jeśli mają tylko jeden lub dwa atomy grubości — tzw. materiały 2D. Jak testy z tylnym bramkowaniem zniekształcają wyniki Aby zbadać wydajność tych materiałów, badacze często polegają na prostej architekturze "tylnego bramkowania", która buduje wszystkie komponenty tranzystora na jednej płytce krzemowej, aby ułatwić produkcję i umożliwić szybkie eksperymentowanie. W tym układzie ultracienki półprzewodnik 2D, taki jak disulfid molibdenu (MoS₂), znajduje się między dwoma metalowymi elektrodami kontaktowymi, które przepuszczają prąd przez półprzewodnik. Przepływ prądu jest włączany lub wyłączany przy użyciu podłoża krzemowego jako kontrolera bramki. Jednak bramka nie tylko moduluje kanał półprzewodnika 2D; w architekturze "tylnego bramkowania" wpływa również na część półprzewodnika znajdującą się pod metalowymi stykami. Tworzy to zjawisko zwane "bramkowaniem kontaktowym", efekt, który wzmacnia wydajność tranzystora poprzez obniżenie oporu kontaktu przy użyciu bramki. Chociaż ta poprawa wydajności jest na początku atrakcyjna i tego właśnie chcą badacze, architektura z tylnym bramkowaniem nie może być używana w rzeczywistym urządzeniu z powodu ograniczeń prędkości i wycieków prądu elektrycznego, które są skutkami ubocznymi tej architektury. "Wzmacnianie wydajności brzmi jak coś dobrego," powiedział Franklin. "Ale chociaż ta architektura jest świetna do podstawowych testów w laboratorium, ma fizyczne ograniczenia, które uniemożliwiają jej użycie w rzeczywistej technologii urządzeń." Budowanie sprawiedliwszego urządzenia testowego Aby ujawnić ten podstawowy czynnik przyczynowy, który występuje w setkach badań laboratoryjnych dotyczących tranzystorów 2D, Victoria Ravel, doktorantka w laboratorium Franklina, spędziła rok na wytwarzaniu nowej architektury urządzenia, która pozwala zespołowi bezpośrednio zmierzyć, jak bardzo bramkowanie kontaktowe zmienia ich wydajność. Zbudowała symetryczny tranzystor z podwójną bramką, który zawiera bramki powyżej i poniżej tego samego kanału półprzewodnika 2D, styki i materiały. Jedyną różnicą między kontrolowaniem urządzenia za pomocą tylnej lub górnej bramki było to, czy bramkowanie kontaktowe było obecne, więc mogła przeprowadzić porównanie jeden do jednego. "Podczas wytwarzania nigdy nie wiesz, na co natrafisz," powiedziała Ravel. "Kiedy wytwarzasz w tak małych wymiarach, zaczyna się robić naprawdę trudno z tym, co możesz zrobić w ramach fizycznych ograniczeń." Wyniki były uderzające. W większych urządzeniach bramkowanie kontaktowe w przybliżeniu podwoiło wydajność. Gdy Ravel zmniejszała urządzenia do małych wymiarów istotnych dla przyszłych technologii, efekt bramkowania kontaktowego wzrastał. Przy długości kanału 50 nanometrów i długościach kontaktów 30 nanometrów, bramkowanie kontaktowe zwiększyło wydajność nawet sześciokrotnie. W miarę jak urządzenia się kurczą, wyjaśnił Franklin, styki dominują nad ogólną wydajnością. Każdy mechanizm, który zmienia zachowanie kontaktu, staje się coraz ważniejszy. Ponieważ większość wyników tranzystorów 2D zgłaszanych na przestrzeni lat korzystała z architektur z tylnym bramkowaniem, odkrycia Franklina i Ravel mają szerokie implikacje. Kolejne kroki w kierunku realistycznych urządzeń 2D Następnie zespół planuje jeszcze bardziej zwiększyć skalowanie, z długościami kontaktów do 15 nanometrów, i zbadać alternatywne metale kontaktowe, aby zmniejszyć opór kontaktu. Szerszym celem jest ustalenie jaśniejszych zasad projektowania dla integracji półprzewodników 2D w przyszłych technologiach tranzystorowych. "Jeśli materiały 2D mają kiedyś zastąpić kanały krzemowe," powiedział Franklin, "musimy być szczerzy co do tego, jak architektura urządzenia kształtuje to, co mierzymy. Ta praca ma na celu ustanowienie tej podstawy."