Vid gränssnittet mellan halvmetallen (vismut) och 2D-halvledaren (MoS2), det finns ingen energibarriär för elektronen att gå igenom, vilket leder till ett ultralågt kontaktmotstånd mellan dem. Kredit:Massachusetts Institute of Technology
Moores lag, den berömda förutsägelsen att antalet transistorer som kan packas på ett mikrochip kommer att fördubblas vartannat år, har stött på grundläggande fysiska gränser. Dessa gränser kan få årtionden av framsteg att stanna, om inte nya tillvägagångssätt hittas.
En ny riktning som utforskas är användningen av atomärt tunna material istället för kisel som grund för nya transistorer, men det har visat sig svårt att ansluta dessa "2D"-material till andra konventionella elektroniska komponenter.
Nu forskare vid MIT, University of California i Berkeley, Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, och på andra håll har hittat ett nytt sätt att göra dessa elektriska anslutningar, som kan hjälpa till att frigöra potentialen hos 2D-material och främja miniatyriseringen av komponenter – möjligen tillräckligt för att utvidga Moores lag, åtminstone för en nära framtid, säger forskarna.
Fynden beskrivs denna vecka i tidskriften Nature, i en artikel av nyutexaminerade från MIT Pin-Chun Shen Ph.D. '20 och Cong Su Ph.D. '20, postdoc Yuxuan Lin Ph.D. '19, MIT professorer Jing Kong, Tomas Palacios, och Ju Li, och 17 andra på MIT, UC Berkeley, och andra institutioner.
"Vi löste ett av de största problemen med att miniatyrisera halvledarenheter, kontaktresistansen mellan en metallelektrod och ett enskiktigt halvledarmaterial, " säger Su, som nu är på UC Berkeley. Lösningen visade sig vara enkel:användningen av en halvmetall, grundämnet vismut, att ersätta vanliga metaller för att ansluta till monolagermaterialet.
En illustration av enskiktshalvledartransistorn. Kredit:Massachusetts Institute of Technology
Sådana ultratunna monolagermaterial, i detta fall molybdendisulfid, ses som en stor utmanare för en väg runt de miniatyriseringsgränser som kiselbaserad transistorteknik nu möter. Men att skapa en effektiv, mycket ledande gränssnitt mellan sådana material och metallledare, för att ansluta dem till varandra och till andra enheter och strömkällor, var en utmaning att hålla tillbaka utvecklingen mot sådana lösningar, säger Su.
Gränssnittet mellan metaller och halvledarmaterial (inklusive dessa enskiktshalvledare) producerar ett fenomen som kallas metallinducerat gaptillstånd, vilket leder till bildandet av en Schottky-barriär, ett fenomen som hämmar flödet av laddningsbärare. Användningen av en halvmetall, vars elektroniska egenskaper ligger mellan de hos metaller och halvledare, kombinerat med korrekt energiinriktning mellan de två materialen, visade sig eliminera problemet.
Lin förklarar att den snabba miniatyriseringen av transistorerna som utgör datorprocessorer och minneschips har avstannat tidigare, runt 2000, tills en ny utveckling som möjliggjorde en tredimensionell arkitektur av halvledarenheter på ett chip bröt problemet 2007 och snabba framsteg återupptogs. Men nu, han säger, "vi tror att vi är på gränsen till en annan flaskhals."
Så kallade tvådimensionella material, tunna ark bara en eller några få atomer tjocka, uppfylla alla krav för att möjliggöra ytterligare ett steg i miniatyrisering av transistorer, potentiellt minska med flera gånger en nyckelparameter som kallas kanallängden – från cirka 5 till 10 nanometer, i nuvarande banbrytande spån, till en subnanometerskala. En mängd sådana material undersöks brett, inklusive en hel familj av föreningar kända som övergångsmetalldikalkogenider. Molybdendisulfiden som används i de nya experimenten tillhör denna familj.
Med denna teknik, miniatyriserade transistorer med extraordinära prestanda demonstreras, uppfylla kraven för den tekniska färdplanen för framtida transistorer och mikrochips. Kredit:Massachusetts Institute of Technology
Frågan om att uppnå en metallkontakt med låg resistans med sådana material har också hämmat grundläggande forskning om fysiken hos dessa nya enskiktsmaterial. Eftersom befintliga anslutningsmetoder har så hög motståndskraft, de små signalerna som behövs för att övervaka elektronernas beteende i materialet är för svaga för att komma igenom. "Det finns många exempel från fysiksidan som kräver ett lågt kontaktmotstånd mellan metallen och en halvledare. Så, det är ett stort problem i fysikvärlden också, " säger Su.
Att ta reda på hur man skalar upp och integrerar sådana system på kommersiell nivå kan ta lite tid och kräva ytterligare ingenjörskonst. Men för sådana fysiktillämpningar, forskarna säger, effekterna av de nya fynden kunde märkas snabbt. "Jag tror i fysik, många experiment kan dra nytta av denna teknik omedelbart, " säger Su.
Under tiden, forskarna fortsätter att utforska ytterligare, fortsätter att minska storleken på sina enheter och letar efter andra sammankopplingar av material som kan möjliggöra bättre elektriska kontakter till den andra typen av laddningsbärare, känd som hål. De löste problemet för den så kallade N-typ transistorn, men om de kan hitta en kombination av kanal och elektriskt kontaktmaterial för att möjliggöra en effektiv monolager transistor av P-typ också, som skulle öppna upp många nya möjligheter för nästa generations chips, de säger.
Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.
