Mind the gap

Työ tietokonesirujen seuraavan vallankumouksen parissa on jo käynnissä: 2D-materiaalit voisivat sopia ihanteellisesti vielä pienempiin elektronisiin rakenteisiin.

Nyt TU Wienin tutkijat ovat kuitenkin osoittaneet, että monet aiemmin erittäin lupaaviksi pidetyt 2D-materiaalit eivät itse asiassa sovellu tähän tarkoitukseen. Pelkkä materiaalin ominaisuuksien tutkiminen ei riitä – myös rajapintavaikutukset on otettava huomioon.

Kun 2D-materiaalit yhdistetään eristävään kerrokseen, niiden väliin muodostuu väistämättä erittäin ohut rako, joka heikentää merkittävästi niiden elektronisia ominaisuuksia.

Tietokonesiruissa käytettyjen transistoreiden perusajatuksena on yksinkertainen: puolijohteen – joka voi olla myös erittäin ohut 2D-materiaali – johtavuutta voidaan moduloida johtavan ja ei-johtavan tilan välillä. Sitä, kumpi näistä tiloista tapahtuu, ohjaa portti, elektrodi, joka on erotettava aktiivisesta materiaalista eristävällä kerroksella.

Transistorin pienentäminen edellyttää porttivuodon hallintaa erittäin ohuiden dielektristen materiaalien avulla ja lähde/nielu kontaktiresistanssin minimointia. Vaikka kaksiulotteiset (2D) puolijohteet tarjoavat erinomaisen sähköstaattisen hallinnan, niiden rajapinnat porttidielektristen materiaalien ja kontaktimetallien kanssa muodostavat usein van der Waals -raon (vdW), joka vaikuttaa piirirakenteen suorituskykyyn ja toimii tunnelointiesteenä, jolla on alhainen dielektrisyysvakio. Vaikka tämä vähentää dielektristä vuotoa, se lisää metalli-kanava-kontaktiresistanssiä ja tuo hilaan loissarjakapasitanssin

”Jos puolijohdeteollisuus haluaa menestyä 2D-materiaaleilla, aktiivinen kerros ja eristävä kerros on suunniteltava yhdessä alusta alkaen”, korostaa Mahdi Pourfath. Mahdollisia ratkaisuja on olemassa: niin sanotut ”vetoketjumateriaalit” yhdistävät molemmat näkökohdat. Puolijohde ja eriste lomittuvat toisiinsa – ne eivät ole vain löyhästi yhdistetty van der Waalsin voimien avulla, vaan muodostavat vahvemman sidoksen, joka poistaa raon.

”Työmme on hyviä uutisia puolijohdeteollisuudelle”, sanoo Tibor Grasser. ”Voimme ennustaa, mitkä materiaalit sopivat tulevaisuuden miniatyrisointivaiheisiin – ja mitkä eivät. Mutta jos keskitytään vain itse 2D-materiaaleihin ottamatta huomioon väistämättömiä eristäviä kerroksia alusta alkaen, on olemassa riski investoida miljardeja lähestymistapaan, joka ei yksinkertaisesti voi onnistua perustavanlaatuisista fysikaalisista syistä.”

Aiheesta aiemmin:

Tutkimus johdattaa 2D-transistorit lähemmäksi tuotantoa

Etenemissuunnitelma 2D-puolijohteiden porttipinon teknologialle