2D-grænseflader i fremtidige transistorer er muligvis ikke så flade som tidligere antaget

Transistorer er byggestenene i moderne elektronik, der bruges i alt fra fjernsyn til bærbare computere. I takt med at transistorer er blevet mindre og mere kompakte, er elektronikken også blevet det, og derfor er din mobiltelefon en superkraftig computer, der ligger i din håndflade.

Men der er et skaleringsproblem:Transistorer er nu så små, at de er svære at slukke. Et nøgleelement i enheden er den kanal, som ladningsbærere (såsom elektroner) bevæger sig over mellem elektroder. Hvis den kanal bliver for kort, giver kvanteeffekter elektroner mulighed for effektivt at hoppe fra den ene side til den anden, selv når de ikke burde.

En måde at komme forbi denne dimensionerende vejspærring er at bruge lag af 2D-materialer - som kun er et enkelt atom tykt - som kanalen. Atomisk tynde kanaler kan hjælpe med at aktivere endnu mindre transistorer ved at gøre det sværere for elektronerne at hoppe mellem elektroderne. Et velkendt eksempel på et 2D-materiale er grafen, hvis opdagere vandt Nobelprisen i fysik i 2010. Men der er andre 2D-materialer, og mange tror, ​​de er fremtiden for transistorer, med løftet om at skalere kanaltykkelsen ned fra dens nuværende 3D-grænse på nogle få nanometer (nm, milliardtedele af en meter) til mindre end en enkelt nanometers tykkelse.

Selvom forskningen er eksploderet på dette område, er et spørgsmål vedvarende blevet overset, ifølge et hold af videnskabsmænd fra National Institute of Standards and Technology (NIST), Purdue University, Duke University og North Carolina State University. 2D-materialerne og deres grænseflader - som forskere har til hensigt at være flade, når de stables oven på hinanden - er muligvis ikke flade. Denne ikke-fladhed kan til gengæld påvirke enhedens ydeevne betydeligt, nogle gange på gode måder og nogle gange på dårlige måder.

I en ny undersøgelse offentliggjort i 26. april 2022, udgaven af ​​ACS Nano , rapporterer forskerholdet resultaterne af deres målinger af fladheden af ​​disse grænseflader i transistorenheder, der inkorporerer 2D-materialer. De er den første gruppe, der tager mikroskopibilleder i høj opløsning, der viser fladheden af ​​disse 2D-lag i komplette enhedsarrays, i relativt stor skala - omkring 12 mikrometer (milliontedele af en meter) i modsætning til de mere almindelige 10-nm til 100- nm rækkevidde.

Forskere afbildede med succes en række 2D-2D- og 2D-3D-grænseflader i enheder, de skabte ved at bruge en række almindelige fremstillingsmetoder. Deres resultater viser, at det at antage, at grænseflader er flade, når de ikke er det, er et meget større problem, end forskere på området måske har indset.

"Vi oplyser samfundet til et problem, der er blevet overset," sagde NISTs Curt Richter. "Det holder adoptionen af ​​de nye materialer tilbage. Det første skridt til at løse problemet er at vide, at du har et problem."

Potentielle fordele omfatter at give det videnskabelige samfund mere kontrol over fremstillingen af ​​deres enheder.

"En mangel på forståelse af 2D-grænsefladefladhed er en vigtig vejblokering for at forbedre enheder baseret på 2D-materialer," sagde hovedforfatter Zhihui Cheng, fra NIST og Purdue University på tidspunktet for udgivelsen. "Vi har udgivet en metode til at kvantificere fladhed til ångstrøm-opløsning. Dette åbner mange vinduer for, at folk kan udforske belastningen og interaktionerne ved 2D-grænseflader."

Ikke så flad, som du tror

I en traditionel transistor frigiver en 3D-kildeelektrode elektroner over en 3D-kanal til en 3D-drænelektrode. I 2D-transistorer bevæger elektroner sig over et 2D-materiale. De områder, hvor disse forskellige materialer mødes, kaldes grænseflader.

En mangel på fladhed ved disse grænseflader kan forårsage problemer med strømflowet i enheder, der bruger 2D-materialer. For eksempel, hvis der er intim fysisk kontakt mellem kildemetallet og 2D-kanalen, så vil der også være intim elektrisk kontakt, og strømmen vil flyde jævnt. Omvendt kompromitterer mellemrum mellem 2D-kanalmaterialet og kilden den elektriske kontakt, hvilket reducerer strømmen.

I deres papir udforsker forskerne flere forskellige typer 2D-grænseflader, herunder dem, der er lavet mellem nikkelkilde- og drænelektroder, en 2D-kanal lavet af 2D-krystalmolybdændisulfid (MoS₂ ), et indkapslende lag af det hexagonale krystal bornitrid (hBN) og aluminiumoxid.

Forskere lægger typisk 2D- og 3D-materialerne oven på hinanden under enhedsfremstillingsprocessen. For eksempel stabler forskere nogle gange 2D-materialer på præmønstrede metalkontakter. Men forskerholdet fandt ud af, at denne form for stabling af 2D-materialer havde en dybtgående effekt på deres fladhed, især nær kontaktområdet. Tilføjelse af hBN forårsagede MoS₂ at deformere så højt som 10 nm på den ene side af kontakten. Områder længere fra kontakterne havde en tendens til at være relativt flade, selvom nogle af disse områder stadig havde et mellemrum på 2 til 3 nm.

Mens de testede virkningerne af atomlagsaflejring (en almindelig teknik, der bruges til at nedlægge et tyndt lag materiale) på 2D-grænsefladefladheden, fandt forskerholdet, at en direkte grænseflade mellem aluminiumoxid og MoS₂ er mere deformeret end grænsefladerne mellem hBN og MoS₂ . Da holdet undersøgte fladheden af ​​3D-2D kontaktgrænsefladen, fandt holdet overraskende store nanokaviteter, der dannedes i grænsefladen mellem nikkelkontakterne og 2D MoS₂ kanal.

For at forbinde disse ikke-flade grænseflader tilbage til virkelighedens bekymringer om enhedens ydeevne, testede holdet de elektriske egenskaber af en transistor lavet af disse materialer. Forskere fandt ud af, at den tilføjede ikke-fladhed i kanalen havde den effekt, at den faktisk forbedrede enhedens ydeevne.

"Samlet set afslører disse resultater, hvor meget strukturen af ​​2D-2D og 2D-3D grænseflader afhænger af materialerne såvel som fremstillingsprocessen," sagde Cheng.

For at foretage sine observationer brugte gruppen en type højopløsnings scanningstransmissionselektronmikroskopi (scanning TEM), der var i stand til at opløse billederne til niveauet af enkelte atomer.

"Så meget af dette felt er ren forskning," sagde Richter. "Folk vil lave en enhed eller måske to, og de har ikke ekstraudstyr, som de kan give til en mikroskopist for at rive fra hinanden." I denne undersøgelse var hele pointen på den anden side at lave enhederne og derefter analysere dem.

"Vi gjorde ikke noget super specielt med målingerne," fortsatte Richter. "Men kombinationen af ​​viden om elektrisk måling og TEM-ekspertise i høj opløsning - det er ikke almindeligt."

"Med sub-angstrøm opløsning og rekordlængde i tværsnits-TEM, plus korrelationen med enhedskarakteristika, har vores arbejde udvidet og uddybet synspunkterne på kompleksiteten og indvikletheden af ​​2D-grænseflader," sagde Cheng.

Med fordele for alle

Anvendelser af arbejdet omfatter reduktion af utilsigtet enhed-til-enhed variation, hvoraf 2D fladhed er en væsentlig medvirkende faktor, sagde forskerne.

Billedmetoden kan også i sidste ende hjælpe med at give videnskabsmænd mere kontrol over fremstillingen. Visse processer introducerer mekanisk belastning i 2D-strukturerne, vrider dem som en opvredet vaskeklud eller klemmer og strækker dem som en harmonika. Dette kan ændre ydeevnen af ​​en enhed på uforudsigelige måder, som forskerne endnu ikke helt forstår. En bedre forståelse af, hvordan belastning påvirker enhedens ydeevne, kan give forskere mere kontrol over denne ydeevne.

"Belastning er ikke altid en dårlig ting," sagde Richter. "De avancerede transistorer, folk laver i dag, har faktisk indbygget belastning for at få dem til at fungere bedre. Med 2D-materialerne er det ikke så indlysende, hvordan man gør det, men det kan være muligt at bruge ikke-fladehed til at skabe den belastning, du ønsker ."

Forfatterne håber, at deres arbejde vil inspirere til nye bestræbelser på at øge opløsningen af ​​planhedsmålinger for 2D-grænseflader, selv til sub-angstrøm opløsning.

"Vi har nogle foreløbige data, men det er virkelig kun begyndelsen på denne undersøgelse," sagde Cheng. + Udforsk yderligere

Epitaksiale flerlags MoS2-wafere lover højtydende transistorer