De fleste laboratorietester blåser stille opp ytelsen til 2D-transistorer, viser forskning | Andrew Tie, Duke University Silisium har lenge vært den foretrukne halvlederen for å lage transistorer, men moderne teknologi presser materialets iboende begrensninger. Allerede nå er komponentene i transistorer så tynne som fysikken tillater. For å presse utover disse grensene utforsker forskere ulike materialer som fortsatt kan fungere, selv om de bare er ett eller to atomer tykke—såkalte 2D-materialer. Hvordan baklåst testing skjevvrider resultatene For å studere ytelsen til disse materialene stoler forskere ofte på en enkel «back-gated» arkitektur som bygger alle transistorens komponenter på ett enkelt stykke silisium for å gjøre produksjonen enklere og tillate rask eksperimentering. I dette oppsettet sitter en ultratynn 2D-halvleder som molybdendisulfid (MoS₂) mellom to metallkontaktelektroder som leder strøm gjennom halvlederen. Strømstrømmen slås på eller av ved å bruke silisiumsubstratet som portkontroll. Men porten modulerer ikke bare 2D-halvlederkanalen; I «back-gate»-arkitekturen påvirker den også delen av halvlederen som ligger under metallkontaktene. Dette skaper et fenomen kalt «kontaktgating», en effekt som forsterker transistorens ytelse ved å senke kontaktmotstanden ved bruk av gaten. Selv om denne ytelsesforbedringen i starten er attraktiv og det forskerne ønsker, kan den baklåste arkitekturen ikke brukes i en ekte enhet på grunn av hastighetsbegrensninger og lekkasje av elektrisk strøm som er bivirkninger av arkitekturen. "Å forsterke ytelsen høres ut som en god ting," sa Franklin. "Men selv om denne arkitekturen er flott for grunnleggende testing i et laboratorium, har den fysiske begrensninger som hindrer den i å brukes i en faktisk enhetsteknologi." Å bygge en mer rettferdig testenhet For å avdekke denne underliggende medvirkende faktoren, som finnes i hundrevis av laboratoriestudier på 2D-transistorer, brukte Victoria Ravel, en doktorgradsstudent i Franklins laboratorium, et år på å lage en ny enhetsarkitektur som gjør det mulig for teamet å måle direkte hvor mye kontaktgateing påvirker ytelsen deres. Hun bygde en symmetrisk dual-gate transistor, som inkluderer porter over og under samme 2D-halvlederkanal, kontakter og materialer. Den eneste forskjellen mellom å kontrollere enheten med bak- eller toppporten var om kontaktporting var til stede, slik at hun kunne gjøre en én-til-én-sammenligning. "Med fabrikasjon vet du aldri hva du kan møte," sa Ravel. "Når du produserer i så små dimensjoner, begynner ting å bli veldig vanskelige med hva du kan gjøre innenfor fysiske grenser." Resultatene var slående. I større enheter doblet kontaktlåsing omtrent ytelsen. Etter hvert som Ravel skalerte enhetene ned til små dimensjoner relevante for fremtidige teknologier, økte kontaktgate-effekten. Ved en kanallengde på 50 nanometer og kontaktlengder på 30 nanometer, økte kontaktgating ytelsen med opptil seks ganger. Etter hvert som enhetene krymper, forklarte Franklin, dominerer kontaktene den totale ytelsen. Enhver mekanisme som endrer kontaktatferd blir stadig viktigere. Siden de fleste 2D-transistorresultater rapportert gjennom årene har brukt baklåste arkitekturer, har funnene fra Franklin og Ravel brede implikasjoner. Neste steg mot realistiske 2D-enheter Deretter planlegger teamet å presse skaleringen enda lenger, med kontaktlengder ned til 15 nanometer, og undersøke alternative kontaktmetaller for å redusere kontaktmotstanden. Det overordnede målet er å etablere klarere designregler for integrering av 2D-halvledere i fremtidige transistorteknologier. "Hvis 2D-materialer en dag skal erstatte silisiumkanaler," sa Franklin, "må vi være ærlige om hvordan enhetsarkitektur former hva vi måler. Dette arbeidet handler om å legge det fundamentet.»