Большинство лабораторных испытаний тихо завышает производительность 2D-транзисторов, reveals research | Эндрю Ти, Университет Дьюка Силикон долгое время был полупроводником, выбранным для создания транзисторов, но современные технологии подталкивают материал к его внутренним ограничениям. Уже компоненты, находящиеся внутри транзисторов, тонки настолько, насколько это позволяет физика. Чтобы преодолеть эти ограничения, исследователи изучают различные материалы, которые могут работать даже если они толщиной всего в один или два атома — так называемые 2D-материалы. Как тестирование с обратным затвором искажает результаты Чтобы изучить производительность этих материалов, исследователи часто полагаются на простую архитектуру "с обратным затвором", которая строит все компоненты транзистора на одном куске кремния, чтобы упростить изготовление и позволить быстрое экспериментирование. В этой конфигурации ультратонкий 2D-полупроводник, такой как дисульфид молибдена (MoS₂), находится между двумя металлическими контактными электродами, которые пропускают ток через полупроводник. Протекание тока включается или выключается с помощью кремниевой подложки в качестве управляющего затвора. Однако затвор не только модулирует канал 2D-полупроводника; в архитектуре "с обратным затвором" он также влияет на часть полупроводника, которая находится под металлическими контактами. Это создает явление, называемое "контактным затвором", эффект, который усиливает производительность транзистора, снижая контактное сопротивление с помощью затвора. Хотя это улучшение производительности сначала привлекательно и именно то, что хотят исследователи, архитектура с обратным затвором не может быть использована в реальном устройстве из-за ограничений скорости и утечек электрического тока, которые являются побочными эффектами этой архитектуры. "Увеличение производительности звучит как хорошая вещь," сказал Франклин. "Но хотя эта архитектура отлична для базового тестирования в лаборатории, у нее есть физические ограничения, которые не позволяют использовать ее в реальной технологии устройства." Создание более справедливого тестового устройства Чтобы выявить этот основной фактор, который присутствует в сотнях лабораторных исследований 2D-транзисторов, Виктория Равель, аспирантка в лаборатории Франклина, потратила год на изготовление новой архитектуры устройства, которая позволяет команде напрямую измерять, насколько контактный затвор изменяет их производительность. Она построила симметричный двухзатворный транзистор, который включает затворы выше и ниже одного и того же 2D-полупроводникового канала, контакты и материалы. Единственное различие между управлением устройством с помощью заднего или верхнего затвора заключалось в том, присутствовал ли контактный затвор, так что она могла провести сравнение один к одному. "При изготовлении вы никогда не знаете, с чем столкнетесь," сказала Равель. "Когда вы изготавливаете на таких малых размерах, все начинает становиться действительно сложным в том, что вы можете сделать в пределах физических ограничений." Результаты были поразительными. В больших устройствах контактный затвор примерно удвоил производительность. Когда Равель уменьшила размеры устройств до крошечных размеров, актуальных для будущих технологий, эффект контактного затвора увеличился. При длине канала 50 нанометров и длине контактов 30 нанометров контактный затвор увеличил производительность до шести раз. По мере уменьшения размеров устройств, объяснил Франклин, контакты доминируют в общей производительности. Любой механизм, который изменяет поведение контакта, становится все более важным. Поскольку большинство результатов 2D-транзисторов, сообщенных за эти годы, использовали архитектуры с обратным затвором, выводы Франклина и Равель имеют широкие последствия. Следующие шаги к реалистичным 2D-устройствам В следующем шаге команда планирует продвинуть масштабирование еще дальше, с длиной контактов до 15 нанометров, и исследовать альтернативные контактные металлы для снижения контактного сопротивления. Более широкая цель — установить более четкие правила проектирования для интеграции 2D-полупроводников в будущие технологии транзисторов. "Если 2D-материалы когда-нибудь заменят кремниевые каналы," сказал Франклин, "нам нужно быть честными в том, как архитектура устройства формирует то, что мы измеряем. Эта работа направлена на создание этой основы."