Ученые из Университета Дьюка выяснили, что стандартные методики лабораторных тестов способны существенно переоценивать фактическую производительность полупроводниковых транзисторов, изготовленных с использованием ультратонких двумерных материалов. Почти двадцать лет исследователи ищут альтернативу кремнию для производства компьютерных чипов, и в качестве перспективной замены рассматриваются 2D-полупроводники, толщина которых составляет всего один или два атома. Однако недавнее исследование, представленное в журнале ACS Nano, указывает на то, что оценка потенциала этих материалов могла быть неверной.
Инженеры определили, что ключевая сложность связана с повсеместно используемой конструкцией, известной как «транзистор с нижним затвором». Эта несложная схема, в которой кремниевая подложка служит для регулирования тока в канале из дисульфида молибдена (MoS₂), широко применяется в исследовательских лабораториях благодаря удобству изготовления. Тем не менее, в процессе экспериментов было установлено, что в данной конфигурации проявляется ранее не учитываемый эффект «контактного управления». Электрическое поле затвора оказывает влияние не только на канал транзистора, но и на полупроводник под металлическими контактами, что приводит к искусственному уменьшению сопротивления и облегчает прохождение тока. Вследствие этого устройство показывает лучшие результаты, чем можно было бы ожидать при фактической эксплуатации.
Для определения степени искажений, группа исследователей под руководством профессора Аарона Франклина разработала симметричный транзистор с двумя затворами: верхним и нижним. Благодаря идентичной физической структуре, они могли активировать каждый затвор по отдельности, что позволило непосредственно сопоставить воздействие «контактного управления». Полученные результаты оказались весьма значительными: в более крупных устройствах данный эффект приблизительно вдвое увеличивал измеренную производительность. Однако, при уменьшении транзисторов до размеров, соответствующих будущим коммерческим чипам (длина канала 50 нм и длина контакта 30 нм), влияние искажений значительно усилилось. Применение «контактного управления» приводило к почти шестикратному повышению рабочих характеристик по сравнению с результатами, полученными в стандартной конфигурации без учета этого эффекта. По мнению авторов исследования, с уменьшением размеров транзисторов металлические контакты приобретают ведущую роль, поэтому любой фактор, воздействующий на контактное сопротивление, становится определяющим.
Профессор Франклин отметил, что, несмотря на удобство лабораторной архитектуры с нижним затвором для проведения первичных экспериментов, она обладает рядом физических ограничений, препятствующих ее применению в настоящих технологиях. « По его словам, повышение производительности – это позитивное явление. Однако, такое улучшение является следствием особенностей конструкции образца, а не только характеристиками используемого материала ».
Исследование не ставит под вопрос возможности применения двумерных полупроводников, однако указывает на важность создания методов тестирования, соответствующих условиям коммерческого производства микросхем. В дальнейшем ученые из Университета Дьюка намерены продолжить эксперименты, сокращая длину контактов до 15 нанометров и рассматривая альтернативные металлы, которые способны уменьшить сопротивление без использования искусственно созданных эффектов. Главная задача исследователей – выработать стандарты проектирования, обеспечивающие правильную интеграцию двумерных материалов в процессоры нового поколения и позволяющие избежать неоправданных надежд, основанных на неточных сведениях.
Результаты исследования в журнале ACS Nano.