Deze vooruitgang kan 2D-transistors mogelijk maken voor kleinere microchipcomponenten

Atomair dunne materialen zijn een veelbelovend alternatief voor op silicium gebaseerde transistors; nu kunnen onderzoekers ze efficiënter verbinden met andere chipelementen.

De wet van Moore, de beroemde voorspelling dat het aantal transistors dat op een microchip kan worden gepakt om de paar jaar zal verdubbelen, loopt tegen fysieke basislimieten aan. Deze limieten kunnen tientallen jaren van vooruitgang tot stilstand brengen, tenzij er nieuwe benaderingen worden gevonden.

Een nieuwe richting die wordt onderzocht, is het gebruik van atomair dunne materialen in plaats van silicium als basis voor nieuwe transistors, maar het verbinden van die "2D"-materialen met andere conventionele elektronische componenten is moeilijk gebleken.

Nu hebben onderzoekers van MIT, de University of California in Berkeley, de Taiwan Semiconductor Manufacturing Company en elders een nieuwe manier gevonden om die elektrische verbindingen te maken, wat zou kunnen helpen het potentieel van 2D-materialen te ontketenen en de miniaturisering van componenten te bevorderen - mogelijk genoeg om de wet van Moore uit te breiden, althans voor de nabije toekomst, zeggen de onderzoekers.

"We hebben een van de grootste problemen opgelost bij het miniaturiseren van halfgeleiderapparaten, de contactweerstand tussen een metalen elektrode en een monolaag halfgeleidermateriaal", zei Dr. Cong Su, die nu bij UC Berkeley werkt. De oplossing bleek eenvoudig te zijn:het gebruik van een halfmetaal, het element bismut, om de plaats in te nemen van gewone metalen om verbinding te maken met het monolaagmateriaal.

Dergelijke ultradunne monolaagmaterialen, in dit geval molybdeendisulfide, worden gezien als een belangrijke kanshebber voor een manier om de miniaturisatielimieten te omzeilen die tegenwoordig worden ondervonden door op silicium gebaseerde transistortechnologie. Maar volgens Su was het creëren van een efficiënte, zeer geleidende interface tussen dergelijke materialen en metalen geleiders om ze met elkaar en met andere apparaten en stroombronnen te verbinden een uitdaging die de voortgang naar dergelijke oplossingen tegenhoudt.

Het grensvlak tussen metalen en halfgeleidermaterialen (inclusief deze monolaagse halfgeleiders) produceert een fenomeen dat metaalgeïnduceerde spleettoestand wordt genoemd, wat leidt tot de vorming van een Schottky-barrière, een fenomeen dat de stroom van ladingsdragers remt. Het gebruik van een halfmetaal, waarvan de elektronische eigenschappen tussen die van metalen en halfgeleiders liggen, in combinatie met een goede energie-uitlijning tussen de twee materialen, bleek het probleem te elimineren.

Dr. Yuxuan Lin legde uit dat het snelle tempo van miniaturisatie van de transistors waaruit computerprocessors en geheugenchips bestaan, tot stilstand is gekomen vóór, rond 2000, totdat een nieuwe ontwikkeling die een driedimensionale architectuur van halfgeleiderapparaten op een chip mogelijk maakte de logjam in 2007 en snelle vooruitgang hervat. Maar nu, zegt hij, "denken we dat we op de rand van een ander knelpunt staan."

Zogenaamde tweedimensionale materialen, dunne platen van slechts één of een paar atomen dik, voldoen aan alle vereisten om een ​​verdere sprong in miniaturisatie van transistors mogelijk te maken, waardoor een belangrijke parameter, de kanaallengte genaamd, mogelijk meerdere keren wordt verminderd - van ongeveer 5 tot 10 nanometer, in de huidige geavanceerde chips, tot een schaal van minder dan nanometer. Een verscheidenheid aan dergelijke materialen wordt op grote schaal onderzocht, waaronder een familie van verbindingen die bekend staat als overgangsmetaaldichalcogeniden. Het molybdeendisulfide dat in de nieuwe experimenten wordt gebruikt, behoort tot deze familie. De kwestie van het bereiken van een metaalcontact met een lage weerstand met dergelijke materialen heeft ook het basisonderzoek naar de fysica van deze nieuwe monolaagmaterialen belemmerd. Omdat bestaande verbindingsmethoden zo'n hoge weerstand hebben, zijn de minuscule signalen die nodig zijn om het gedrag van elektronen in het materiaal te volgen, te zwak om er doorheen te komen.

Uitzoeken hoe dergelijke systemen op commercieel niveau kunnen worden opgeschaald en geïntegreerd, kan enige tijd in beslag nemen en verdere engineering vereisen. Maar voor dergelijke natuurkundige toepassingen, zeggen de onderzoekers, kan de impact van de nieuwe bevindingen snel worden gevoeld.

Ondertussen blijven de onderzoekers verder onderzoeken, blijven ze de grootte van hun apparaten verkleinen en zoeken ze naar andere combinaties van materialen die een beter elektrisch contact met het andere type ladingsdragers mogelijk kunnen maken - gaten. Ze hebben het probleem opgelost voor de zogenaamde N-type transistor, maar als ze een combinatie van kanaal en elektrisch contactmateriaal kunnen vinden om ook een efficiënte monolaag P-type transistor mogelijk te maken, zou dat veel nieuwe mogelijkheden bieden voor de volgende generatie chips, zeggen ze.