Advance muliggør muligvis 2D-transistorer til mindre mikrochipkomponenter

Moores lov, den berømte forudsigelse, at antallet af transistorer, der kan pakkes på en mikrochip, vil fordobles hvert par år, er stødt ind i grundlæggende fysiske grænser. Disse grænser kan bringe årtiers fremskridt til at standse, medmindre der findes nye tilgange.

En ny retning, der udforskes, er brugen af ​​atomisk tynde materialer i stedet for silicium som grundlag for nye transistorer, men det har vist sig vanskeligt at forbinde disse "2D" materialer til andre konventionelle elektroniske komponenter.

Nu forskere ved MIT, University of California i Berkeley, Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, og andre steder har fundet en ny måde at lave de elektriske forbindelser på, som kunne hjælpe med at frigøre potentialet i 2D-materialer og fremme miniaturiseringen af ​​komponenter - muligvis nok til at udvide Moores lov, i hvert fald i den nærmeste fremtid, siger forskerne.

Resultaterne er beskrevet i denne uge i tidsskriftet Nature, i et papir af nylige MIT-kandidater Pin-Chun Shen Ph.D. '20 og Cong Su Ph.D. '20, postdoc Yuxuan Lin Ph.D. '19, MIT professorer Jing Kong, Tomas Palacios, og Ju Li, og 17 andre på MIT, UC Berkeley, og andre institutioner.

"Vi løste et af de største problemer med at miniaturisere halvlederenheder, kontaktmodstanden mellem en metalelektrode og et monolags halvledermateriale, " siger Su, som nu er på UC Berkeley. Løsningen viste sig at være enkel:brugen af ​​et halvmetal, grundstoffet vismut, at træde i stedet for almindelige metaller for at forbinde med monolagsmaterialet.

Sådanne ultratynde monolagsmaterialer, i dette tilfælde molybdændisulfid, ses som en stor udfordrer på en vej rundt om de miniaturiseringsgrænser, som siliciumbaseret transistorteknologi nu støder på. Men at skabe en effektiv, stærkt ledende grænseflade mellem sådanne materialer og metalledere, for at forbinde dem til hinanden og til andre enheder og strømkilder, var en udfordring, der holdt tilbage fremskridt hen imod sådanne løsninger, siger Su.

Grænsefladen mellem metaller og halvledermaterialer (inklusive disse monolagshalvledere) frembringer et fænomen kaldet metalinduceret spaltetilstand, som fører til dannelsen af ​​en Schottky-barriere, et fænomen, der hæmmer strømmen af ​​ladningsbærere. Brugen af ​​et halvmetal, hvis elektroniske egenskaber ligger mellem metallers og halvlederes egenskaber, kombineret med korrekt energitilpasning mellem de to materialer, viste sig at eliminere problemet.

Lin forklarer, at den hurtige miniaturisering af transistorerne, der udgør computerprocessorer og hukommelseschips, er gået i stå før, omkring 2000, indtil en ny udvikling, der muliggjorde en tredimensionel arkitektur af halvlederenheder på en chip, brød problemet i 2007, og hurtige fremskridt blev genoptaget. Men nu, han siger, "Vi tror, ​​vi er på kanten af ​​endnu en flaskehals."

Såkaldte todimensionelle materialer, tynde plader kun et eller et par atomer tykke, opfylde alle kravene for at muliggøre et yderligere spring i miniaturisering af transistorer, potentielt reducere med flere gange en nøgleparameter kaldet kanallængden - fra omkring 5 til 10 nanometer, i nuværende banebrydende spåner, til en subnanometer skala. En række af sådanne materialer bliver bredt udforsket, inklusive en hel familie af forbindelser kendt som overgangsmetal dichalcogenider. Molybdændisulfidet, der blev brugt i de nye forsøg, tilhører denne familie.

Spørgsmålet om at opnå en metalkontakt med lav modstand med sådanne materialer har også hæmmet grundlæggende forskning i fysikken i disse nye monolagsmaterialer. Fordi eksisterende tilslutningsmetoder har så høj modstand, de bittesmå signaler, der skal til for at overvåge elektronernes adfærd i materialet, er for svage til at komme igennem. "Der kommer adskillige eksempler fra fysikkens side, som kræver en lav-kontaktmodstand mellem metallet og en halvleder. Så, det er også et stort problem i fysikverdenen, " siger Su.

At finde ud af, hvordan man opskalerer og integrerer sådanne systemer på kommercielt niveau, kan tage lidt tid og kræve yderligere ingeniørarbejde. Men for sådanne fysikapplikationer, siger forskerne, virkningen af ​​de nye resultater kunne mærkes hurtigt. "Jeg tror i fysik, mange eksperimenter kan drage fordel af denne teknologi med det samme, " siger Su.

I mellemtiden forskerne fortsætter med at udforske yderligere, fortsætter med at reducere størrelsen af ​​deres enheder og leder efter andre sammenkoblinger af materialer, der kan muliggøre bedre elektriske kontakter til den anden type ladningsbærere, kendt som huller. De løste problemet for den såkaldte N-type transistor, men hvis de kan finde en kombination af kanal og elektrisk kontaktmateriale for også at muliggøre en effektiv monolags P-type transistor, der ville åbne op for mange nye muligheder for næste generations chips, de siger.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.