Новая техника позволяет создавать 2D-транзисторы для ультракомпактных микросхем

Атомно-тонкие материалы — перспективная альтернатива кремниевым транзисторам; теперь исследователи могут эффективнее соединять их с другими элементами чипа.

Закон Мура, известное предсказание о том, что количество транзисторов, которые можно разместить на микросхеме, удваивается каждые пару лет, наткнулся на фундаментальные физические пределы. Эти пределы могут прекратить десятилетия прогресса — если не будут найдены новые подходы.

Одно из новых направлений — использование атомно-тонких материалов вместо кремния как основы для новых транзисторов, но соединение этих «2D» материалов с другими обычными электронными компонентами оказалось трудным.

Теперь исследователи из MIT, Калифорнийского университета в Беркли, тайваньской компании TSMC и других нашли новый способ создания этих электрических соединений, который может помочь раскрыть потенциал 2D-материалов и продвинуть миниатюризацию компонентов — возможно, достаточно, чтобы продлить закон Мура, по крайней мере, в ближайшем будущем, говорят исследователи.

«Мы решили одну из крупнейших проблем миниатюризации полупроводниковых устройств — контактное сопротивление между металлическим электродом и монослойным полупроводниковым материалом», — сказал д-р Конг Су, ныне в UC Berkeley. Решением оказалось простое: использование полуметалла, элемента висмута, вместо обычных металлов для соединения с монослойным материалом.

Такие ультратонкие монослойные материалы, в данном случае дисульфид молибдена, рассматриваются как главный претендент на обход пределов миниатюризации, с которыми сталкивается кремниевая транзисторная технология. Но, по словам Су, создание эффективного, высокопроводящего интерфейса между такими материалами и металлическими проводниками для их соединения друг с другом и с другими устройствами и источниками питания было препятствием для прогресса к таким решениям.

Интерфейс между металлами и полупроводниковыми материалами (включая эти монослойные полупроводники) порождает явление, называемое металло-индуцированным зазорным состоянием, что приводит к формированию Шотткиевского барьера, явления, препятствующего потоку зарядовых носителей. Использование полуметалла, чьи электронные свойства лежат между металлами и полупроводниками, в сочетании с правильным энергетическим выравниванием двух материалов, устранило проблему.

Д-р Юксюань Лин объяснил, что стремительный темп миниатюризации транзисторов, составляющих компьютерные процессоры и чипы памяти, уже застаивался ранее, около 2000 года, пока новое развитие, позволившее трехмерную архитектуру полупроводниковых устройств на чипе, не прорвало застой в 2007 году и быстрый прогресс возобновился. Но сейчас, говорит он, «мы думаем, что находимся на краю другого бутылочного горлышка».

Так называемые двухмерные материалы, тонкие слои толщиной в один или несколько атомов, удовлетворяют всем требованиям для обеспечения нового скачка в миниатюризации транзисторов, потенциально уменьшая на несколько раз ключевой параметр — длину канала — с текущих 5–10 нанометров в передовных чипах до субноннометрового масштаба. Разнообразные такие материалы широко исследуются, включая семейство соединений, известных как дихалькогениды переходных металлов. Дисульфид молибдена, использованный в новых экспериментах, принадлежит к этому семейству. Проблема достижения низкоомного металлического контакта с такими материалами также препятствовала базовым исследованиям физики этих новых монослойных материалов. Поскольку существующие методы соединения имеют такое высокое сопротивление, крошечные сигналы, необходимые для мониторинга поведения электронов в материале, слишком слабы, чтобы пройти.

Разработка того, как масштабировать и интегрировать такие системы на коммерческом уровне, может занять время и потребовать дополнительной инженерии. Но для таких физических приложений, говорят исследователи, влияние новых выводов может быть ощущено быстро.

Пока исследователи продолжают из исследования дальше, продолжая уменьшать размер своих устройств и ища другие сочетания материалов, которые могут обеспечить лучший электрический контакт с другим типом зарядовых носителей — дырок. Они решили проблему для так называемого N-транзистора, но если они найдут комбинацию канала и контактного материала для эффективного монослойного P-транзистора, это откроет многие новые возможности для чипов следующего поколения, говорят они.