Den allmänna arkitekturen för en traditionell MOSFET kontra en 2D FET. En FET (fälteffekttransistor) är en anordning för att reglera flödet av laddningsbärare (som elektroner) över en kanal med tre terminaler:en source, en drain och en gate. En MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor) är den överlägset mest använda typen av FET och är en byggsten i modern elektronik, som använts i kommersiella elektroniska enheter i mer än 50 år. En huvudskillnad mellan den traditionella 3D MOSFET och den "framväxande teknologin" av 2D FET är att kanalen i en traditionell MOSFET är i ett 3D-material, medan en 2D FET:s kanal är ett 2D-material. Kredit:Sean Kelley/NIST
Transistorer är byggstenarna i modern elektronik, som används i allt från tv-apparater till bärbara datorer. I takt med att transistorerna har blivit mindre och mer kompakta har elektroniken också blivit det, och det är därför din mobiltelefon är en superkraftig dator som får plats i din handflata.
Men det finns ett skalningsproblem:Transistorer är nu så små att de är svåra att stänga av. Ett nyckelelement är kanalen som laddningsbärare (som elektroner) färdas över mellan elektroderna. Om den kanalen blir för kort tillåter kvanteffekter elektroner att effektivt hoppa från en sida till en annan även när de inte borde.
Ett sätt att ta sig förbi denna dimensionerande vägspärr är att använda lager av 2D-material – som bara är en enda atom tjocka – som kanalen. Atomtunna kanaler kan hjälpa till att möjliggöra ännu mindre transistorer genom att göra det svårare för elektronerna att hoppa mellan elektroderna. Ett välkänt exempel på ett 2D-material är grafen, vars upptäckare vann Nobelpriset i fysik 2010. Men det finns andra 2D-material, och många tror att de är framtiden för transistorer, med löftet om att skala ner kanaltjockleken från dess nuvarande 3D-gräns på några få nanometer (nm, miljarddelar av en meter) till mindre än en enda nanometers tjocklek.
Även om forskningen har exploderat på detta område har en fråga ständigt förbisetts, enligt ett team av forskare från National Institute of Standards and Technology (NIST), Purdue University, Duke University och North Carolina State University. 2D-materialen och deras gränssnitt - som forskare tänker vara platta när de staplas ovanpå varandra - kanske inte är platta. Denna icke-planhet kan i sin tur påverka enhetens prestanda avsevärt, ibland på ett bra sätt och ibland på ett dåligt sätt.
I en ny studie publicerad i numret av ACS Nano den 26 april 2022 , rapporterar forskargruppen resultaten av sina mätningar av planheten hos dessa gränssnitt i transistorenheter som innehåller 2D-material. De är den första gruppen som tar högupplösta mikroskopibilder som visar planheten hos dessa 2D-lager i kompletta enhetsarrayer, i relativt stor skala - cirka 12 mikrometer (miljondelar av en meter) i motsats till de vanligare 10-nm till 100- nm intervall.
Forskare avbildade framgångsrikt en serie 2D-2D- och 2D-3D-gränssnitt i enheter som de skapade genom att använda en mängd vanliga tillverkningsmetoder. Deras resultat visar att det är en mycket större fråga att anta att gränssnitten är platt när de inte är det än vad forskare inom området kanske har insett.
"Vi upplyser samhället om ett problem som har förbisetts", säger Curt Richter från NIST. "Det håller tillbaka införandet av det nya materialet. Det första steget för att lösa problemet är att veta att du har ett problem."
Potentiella fördelar inkluderar att ge forskarvärlden mer kontroll över tillverkningen av sina enheter.
"En bristande förståelse för 2D-gränssnittets planhet är en stor vägspärr för att förbättra enheter baserade på 2D-material," sa huvudförfattaren Zhihui Cheng, från NIST och Purdue University vid tidpunkten för publiceringen. "Vi har lagt ut en metod för att kvantifiera planhet till ångströmsupplösning. Detta öppnar många fönster för människor att utforska påfrestningarna och interaktionerna vid 2D-gränssnitten."
Inte så platt som du tror
I en traditionell transistor släpper en 3D-källelektrod ut elektroner över en 3D-kanal till en 3D-dräneringselektrod. I 2D-transistorer färdas elektroner över ett 2D-material. De områden där dessa olika material möts kallas för gränssnitt.
En brist på planhet vid dessa gränssnitt kan orsaka problem med strömflödet i enheter som använder 2D-material. Till exempel, om det finns intim fysisk kontakt mellan källmetallen och 2D-kanalen, kommer det också att finnas intim elektrisk kontakt och ström kommer att flyta smidigt. Omvänt, mellanrum mellan 2D-kanalmaterialet och källan äventyrar den elektriska kontakten, vilket minskar strömflödet.
I sin uppsats utforskar forskarna flera olika typer av 2D-gränssnitt, inklusive de som är gjorda mellan nickelkäll- och dräneringselektroder, en 2D-kanal gjord av 2D-kristallen molybdendisulfid (MoS2 ), ett inkapslande skikt av kristallens hexagonala bornitrid (hBN) och aluminiumoxid.
Forskare förväntar sig generellt att transistorer tillverkade med 2D-kristaller kommer att ha perfekt platta 2D-2D- och 3D-2D-gränssnitt (kontaktområden). Men nya bevis visar att det i verkligheten finns uppenbara böjningar och nanoluckor vid dessa gränssnitt. Kredit:Sean Kelley/NIST
Forskare lägger vanligtvis 2D- och 3D-material ovanpå varandra under enhetens tillverkningsprocessen. Till exempel staplar forskare ibland 2D-material på förmönstrade metallkontakter. Men forskargruppen fann att denna typ av stapling av 2D-material hade en djupgående effekt på deras planhet, särskilt nära kontaktområdet. Att lägga till hBN orsakade MoS2 att deformeras så högt som 10 nm på ena sidan av kontakten. Ytor längre bort från kontakterna tenderade att vara relativt plana, även om vissa av dessa områden fortfarande hade ett mellanrum på 2 till 3 nm.
När forskargruppen testade effekterna av atomskiktsavsättning (en vanlig teknik som används för att lägga ner ett tunt skikt av material) på 2D-gränssnittets planhet, fann forskargruppen att ett direkt gränssnitt mellan aluminiumoxid och MoS2 är mer deformerad än gränssnitten mellan hBN och MoS2 . När de undersökte planheten hos 3D-2D-kontaktgränssnittet fann teamet förvånansvärt stora nanokaviteter som bildades i gränssnittet mellan nickelkontakterna och 2D MoS2 kanal.
För att koppla tillbaka dessa icke-platta gränssnitt till verkliga oro för enhetens prestanda, testade teamet de elektriska egenskaperna hos en transistor gjord av dessa material. Forskare fann att den ökade icke-planheten i kanalen hade effekten av att faktiskt förbättra enhetens prestanda.
"Sammantaget avslöjar dessa resultat hur mycket strukturen hos 2D-2D och 2D-3D-gränssnitt beror på materialen såväl som tillverkningsprocessen," sa Cheng.
För att göra sina observationer använde gruppen en typ av högupplöst scanningstransmissionselektronmikroskopi (scanning TEM), som kan lösa upp bilderna till nivån för enskilda atomer.
"Så mycket av detta område är ren forskning," sa Richter. "Människor kommer att göra en enhet eller kanske två, och de har inte extramaterial som de kan ge till en mikroskopist för att riva isär." I den här studien, å andra sidan, var hela poängen att tillverka enheterna och sedan analysera dem.
"Vi gjorde inget superspeciellt med mätningarna", fortsatte Richter. "Men kombinationen av kunskap om elektrisk mätning och högupplöst TEM-expertis - det är inte en vanlig sak."
"Med sub-ångströmsupplösningen och rekordlängden i tvärsnitts-TEM, plus korrelationen med enhetens egenskaper, har vårt arbete utökat och fördjupat synpunkterna på komplexiteten och inveckladheten hos 2D-gränssnitt," sa Cheng.
Med fördelar för alla
Tillämpningar av arbetet inkluderar att minska oavsiktlig enhet-till-enhet-variation, varav 2D-planhet är en betydande bidragande faktor, sa forskarna.
Avbildningsmetoden kan också i slutändan bidra till att ge forskare mer kontroll över tillverkningen. Vissa processer introducerar mekanisk påfrestning i 2D-strukturerna, vrider dem som en urvriden tvättlapp eller pressar och sträcker dem som ett dragspel. Detta kan förändra en enhets prestanda på oförutsägbara sätt som forskarna ännu inte helt förstår. En bättre förståelse för hur belastning påverkar enhetens prestanda kan ge forskare mer kontroll över denna prestanda.
"Ansträngning är inte alltid en dålig sak," sa Richter. "De avancerade transistorer som folk tillverkar idag har faktiskt inbyggd spänning för att få dem att fungera bättre. Med 2D-material är det inte lika självklart hur man gör det, men det kan vara möjligt att använda icke-planhet för att skapa den spänning du vill ha ."
Författarna hoppas att deras arbete kommer att inspirera till nya ansträngningar för att öka upplösningen av planhetsmätningar för 2D-gränssnitt, till och med till sub-ångströmsupplösning.
"Vi har en del preliminära uppgifter, men det är egentligen bara början på den här utredningen," sa Cheng. + Utforska vidare
