Дослідження показують, що більшість лабораторних тестів тихо підвищують продуктивність 2D-транзисторів | Ендрю Тай, Університет Дьюка Кремній давно був напівпровідником вибору для виготовлення транзисторів, але сучасні технології розширюють внутрішні обмеження матеріалу. Вже зараз компоненти транзисторів настільки тонкі, наскільки дозволяє фізика. Щоб вийти за межі цих обмежень, дослідники досліджують різні матеріали, які можуть працювати навіть у товщині в один-два атоми — так звані двовимірні матеріали. Як тестування з бекгейтом спотворює результати Для вивчення продуктивності цих матеріалів дослідники часто використовують просту «back-gated» архітектуру, яка збирає всі компоненти транзистора на одному шматку кремнію, що полегшує виготовлення та дозволяє швидко експериментувати. У цій системі надтонкий двовимірний напівпровідник, наприклад молібдендисульфід (MoS₂), розташований між двома металевими контактними електродами, які пропускають струм через напівпровідник. Потік струму вмикається або вимикається за допомогою кремнієвої підкладки як керування затвором. Однак гейт модулює не лише 2D-напівпровідниковий канал; В архітектурі «back-gate» він також впливає на ту частину напівпровідника, що знаходиться під металевими контактами. Це створює явище, яке називається «контактним гейтингом» — ефектом, який підсилює продуктивність транзистора, знижуючи контактний опір за допомогою затвора. Хоча це покращення продуктивності спочатку виглядає привабливим і таким, чого прагнуть дослідники, архітектура з бекгейтом не може бути використана в реальному пристрої через обмеження швидкості та витік електричного струму, які є побічними ефектами архітектури. «Підсилення продуктивності звучить як хороша ідея», — сказав Франклін. "Але хоча ця архітектура чудово підходить для базового тестування в лабораторії, вона має фізичні обмеження, які не дозволяють її використовувати в реальній технології пристрою." Створення більш справедливого тестового пристрою Щоб виявити цей основний чинник, який присутній у сотнях лабораторних досліджень 2D-транзисторів, Вікторія Равель, аспірантка лабораторії Франкліна, протягом року виготовляла нову архітектуру пристрою, яка дозволяє команді безпосередньо вимірювати, наскільки контактне гейтинг впливає на їхню продуктивність. Вона створила симетричний транзистор з подвійним затвором, який включає вентилі над і під одним і тим самим 2D-напівпровідниковим каналом, контакти та матеріали. Єдина різниця між керуванням пристроєм за допомогою задньої чи верхньої двері полягала в тому, чи є контактне гейтинг, щоб вона могла провести індивідуальне порівняння. «З вигадкою ніколи не знаєш, з чим зіткнешся», — сказав Равель. "Коли ти виготовляєш у таких малих розмірах, все стає дуже складно з тим, що ти можеш робити в межах фізичних можливостей." Результати були вражаючими. У більших пристроях контактне гейтинг приблизно подвоїло продуктивність. Коли Равель зменшував пристрої до крихітних розмірів, важливих для майбутніх технологій, ефект контактного блокування посилився. При довжині каналу 50 нанометрів і довжині контакту 30 нанометрів контактне гейтинг підвищувало продуктивність до шести разів. Коли пристрої зменшуються, пояснив Франклін, контакти домінують у загальній продуктивності. Будь-який механізм, що змінює поведінку контакту, стає дедалі важливішим. Оскільки більшість результатів 2D-транзисторів, отриманих за ці роки, використовували архітектури з бекгейтом, висновки Франкліна і Равеля мають широкі наслідки. Наступні кроки до реалістичних 2D-пристроїв Далі команда планує ще більше розширити масштабування, зменшивши довжину контактів до 15 нанометрів, а також дослідити альтернативні контактні метали для зменшення контактного опору. Ширша мета — встановити чіткіші правила проєктування для інтеграції 2D-напівпровідників у майбутні транзисторні технології. «Якщо 2D-матеріали колись замінять кремнієві канали», — сказав Франклін, — «нам потрібно чесно визначати, як архітектура пристрою формує те, що ми вимірюємо. Ця робота спрямована на закладання цього фундаменту.»