Siliciumalternativer nøglen til fremtidige computere, forbrugerelektronik

(Phys.org) – Forskere rapporterer om vigtige milepæle i udviklingen af ​​nye halvledere til potentielt at erstatte silicium i fremtidige computerchips og til applikationer inden for fleksibel elektronik.

Resultaterne er beskrevet i tre tekniske artikler, herunder en med fokus på et samarbejde mellem forskere fra Purdue University, Intel Corp. og SEMATECH, et konsortium dedikeret til at fremme chipfremstillingen. Holdet har demonstreret det potentielle løfte om en ekstremt tynd - eller "todimensionel" - halvleder kaldet molybdændisulfid.

Selvom molybdændisulfid er blevet undersøgt af forskningsgrupper rundt om i verden, en vigtig hindring for dens praktiske anvendelse har været en stor elektrisk modstand mellem metalkontakter og enkeltatomlag af materialet. Denne "kontaktmodstand" begrænser strømstrømmen mellem kontakterne og molybdændisulfidet, hæmmer præstationen.

"Dette er en grundlæggende flaskehals, " sagde Peide "Peter" Ye, en Purdue-professor i elektro- og computerteknik.

Nu, forskere har vist, hvordan man kan overvinde denne forhindring ved at "dope" materialet med den kemiske forbindelse 1, 2 dichlorethan (DCE), hvilket betyder, at enkelte lag af molybdændisulfid er imprægneret med DCE. Denne doping resulterer i en 10 gange reduktion af kontaktmodstand og en 100 gange reduktion af kontaktresistivitet, endnu et mål for modstand.

Resultaterne er grundlæggende for at lære, hvordan man udvikler alternativer til silicium, som sandsynligvis vil være nødvendige efter 2020, hvornår, det er tænkt, siliciumtransistorer vil nå deres teknologiske grænser, standse yderligere fremskridt.

Resultaterne vil blive præsenteret under 2014-symposiet om VLSI-teknologi og kredsløb den 9.-13. juni i Honolulu. Artiklen er forfattet af Purdue ph.d.-studerende Lingming Yang, Yuchen Du, Han Liu og Heng Wu; SEMATECH-forskere Kausik Majumdar, Py Hung, Robert Tieckelmann og Chris Hobbs; Michael Hatzistergos, en forsker fra State University of New Yorks College of Nanoscale Science and Engineering; Intels Wilman Tsai; og Ye.

Strukturen af ​​molybdændisulfid er et enkeltatomart lag af molybdæn klemt mellem enkeltatomslag af sulfid. Forskerne var i stand til at dope disse små strukturer med DCE.

"Det er i sagens natur svært at dope et enkelt atomlag, " sagde I. "Det er meget sværere end at dope bulk silicium til konventionelle halvlederenheder. Jeg tror, ​​at en vigtig faktor er samarbejdet mellem den akademiske verden, Intel og SEMATECH, som har gjort denne form for forskning mulig."

Forskere kalder teknikken molekylært lag doping.

I én henseende molybdændisulfidet ligner grafen, et ekstremt tyndt lag kulstof, hvilket er lovende for anvendelser inden for elektronik og computere. Ligesom grafen, materialet dannes i et atom-tykke lag, der kan skrælles væk. I modsætning til grafen, imidlertid, materialet er en halvleder, potentielt gør det praktisk for elektroniske enheder. Det er særligt lovende for tynde, fleksible og gennemsigtige elektroniske enheder til skærme, touchpads og andre applikationer.

Molybdændisulfid-papiret er et af tre artikler, der præsenteres af Yes forskergruppe under VLSI-konferencen.

Et af de andre papirer beskriver resultater, der viser de første højtydende enheder fremstillet ved hjælp af et materiale kaldet gallium-arsenid, lovende for post-silicium-æraen for fremtidens computere og forbrugerelektronik. Sådanne halvledere kaldes III-V materialer, fordi de kombinerer elementer fra den tredje og femte gruppe af det periodiske system.

Resultaterne viser, at gallium-arsenid er kompatibelt med den komplementære metal-oxid-halvleder (CMOS) fremstillingsproces, der bruges til at konstruere integrerede kredsløb.

"Forskning i gallium-arsenid MOS har stået på i omkring 50 år, og her demonstrerede vi for første gang, at det kan lade sig gøre på CMOS-kredsløbsniveau, " sagde du.

I det tredje blad, forskere viser, hvordan man bruger en halvleder kaldet germanium til at producere to typer transistorer, der er nødvendige for elektroniske enheder. Materialet havde tidligere været begrænset til "P-type" transistorer. De nye resultater viser, hvordan man bruger materialet også til at lave "N-type" transistorer "med væsentligt forbedrede kontakter, " sagde I. Fordi begge typer transistorer er nødvendige til CMOS-kredsløb, resultaterne peger på mulige anvendelser for germanium i computere og elektronik.

Dele af forskningen, baseret på Birck Nanotechnology Center i Purdue's Discovery Park, er finansieret af National Science Foundation, Semiconductor Research Corp. og SEMATECH.