Nieuwe techniek maakt 2D-transistoren mogelijk voor ultra-compacte microchips

Atoomdunne materialen zijn een veelbelovende alternatief voor silicium-gebaseerde transistoren; nu kunnen onderzoekers ze efficiënter verbinden met andere chipelementen.

Moore's Law, de beroemde voorspelling dat het aantal transistoren dat op een microchip past elke paar jaar verdubbelt, botst op fundamentele fysieke limieten. Deze limieten kunnen decennia van vooruitgang tot stilstand brengen — tenzij nieuwe benaderingen worden gevonden.

Een nieuwe richting die verkend wordt, is het gebruik van atoomdunne materialen in plaats van silicium als basis voor nieuwe transistoren, maar het verbinden van die "2D" materialen met andere conventionele elektronische componenten heeft moeilijk gedaan.

Nu hebben onderzoekers van MIT, de Universiteit van Californië Berkeley, de Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, en elders, een nieuwe manier gevonden om die elektrische verbindingen te maken, wat het potentieel van 2D-materialen kan ontgrendelen en de miniaturisering van componenten kan voortzetten — mogelijk genoeg om Moore's Law, tenminste voor de nabije toekomst, te verlengen, zeggen de onderzoekers.

"We losten een van de grootste problemen in het miniaturiseren van halfgeleiderapparaten op, de contactweerstand tussen een metalelektrode en een monolayer halfgeleidermateriaal," zei Dr. Cong Su, die nu bij UC Berkeley is. De oplossing bleek een eenvoudige: het gebruik van een semimetaal, het element bismuth, ter vervanging van gewone metalen om verbinding te maken met het monolayermateriaal.

Zulke ultra-dunne monolayermaterialen, in dit geval molybdeen-disulfide, worden gezien als een grote kandidaat voor een manier om de miniaturiseringslimieten te omzeilen die nu worden tegengekomen door silicium-gebaseerde transistorentechnologie. Maar volgens Su was het creëren van een efficiënte, hooggeleidende interface tussen dergelijke materialen en metaalleiders om ze met elkaar en met andere apparaten en stroombronnen te verbinden, een uitdaging die de vooruitgang naar dergelijke oplossingen tegenhield.

De interface tussen metalen en halfgeleidermaterialen (inclusief deze monolayer halfgeleiders) produceert een fenomeen genaamd metal-induced gap state, wat leidt tot de vorming van een Schottky-barrière, een fenomeen dat de stroom van laddragers belemmert. Het gebruik van een semimetaal, wiens elektronische eigenschappen tussen die van metalen en halfgeleiders vallen, gecombineerd met juiste energie-uitlijning tussen de twee materialen, bleek het probleem op te lossen.

Dr. Yuxuan Lin legde uit dat het snelle tempo van miniaturisering van de transistoren die computerprocessors en geheugenchips vormen, eerder stilkwam, rond 2000, tot een nieuwe ontwikkeling die een driedimensionale architectuur van halfgeleiderapparaten op een chip toeliet, de logjam in 2007 doorbrak en snelle vooruitgang hervatte. Maar nu, zegt hij, "denken we dat we op de rand van een nieuwe knelpunt zijn."

Zogenaamde twee-dimensionale materialen, dunne vellen van slechts één of een paar atomen dik, voldoen aan alle eisen om een verdere sprong in miniaturisering van transistoren mogelijk te maken, potentieel een cruciale parameter genaamd kanaallengte met verschillende keren te reduceren — van ongeveer 5 tot 10 nanometer, in huidige state-of-the-art chips, naar een sub-nanometer schaal. Een verscheidenheid van dergelijke materialen wordt wijd verkend, inclusief een familie verbindingen bekend als overgangsmetaal-dichalcogeniden. Het molybdeen-disulfide dat in de nieuwe experimenten gebruikt werd, behoort tot deze familie. Het probleem van het bereiken van een lage-weerstand metaalcontact met dergelijke materialen heeft ook fundamenteel onderzoek naar de fysica van deze nieuwe monolayer materialen tegengehouden. Omdat bestaande verbindingsmethoden zo hoge weerstand hebben, zijn de kleine signalen nodig om het gedrag van elektronen in het materiaal te monitoren, te zwak om door te komen.

Het uitzoeken hoe dergelijke systemen op commercieel niveau opgeschaald en geïntegreerd kunnen worden, kan enige tijd duren en verdere engineering vereisen. Maar voor dergelijke fysica-toepassingen, zeggen de onderzoekers, kan de impact van de nieuwe bevindingen snel gevoeld worden.

Ondertussen blijven de onderzoekers verder verkennen, de grootte van hun apparaten verder reduceren en zoeken naar andere materiaalparingen die betere elektrische contacten met de andere soort laddragers — gaten — mogelijk maken. Ze losten het probleem op voor de zogenaamde N-type transistor, maar als ze een combinatie van kanaal- en elektrisch contactmateriaal kunnen vinden om een efficiënte monolayer P-type transistor ook mogelijk te maken, zou dat veel nieuwe mogelijkheden openen voor next-generation chips, zeggen ze.