Ratkaisu ultraohuiden kalvojen kontaktiongelmaan

Puolijohderakenteiden ohentuessa myös sirujen sisällä olevat komponentit tavoittelevat äärimmäistä ohuutta. Tämä on kuitenkin aiheuttanut rakenteellisen rajoituksen: mitä ohuempi rakenne, sitä vaikeampaa sähkön on virrata sen sisällä.

Äskettäin POSTECHin (Pohangin tiede- ja teknologiayliopisto) tutkimusryhmä ratkaisi tämän ongelman onnistuneesti yksinkertaisella mutta innovatiivisella lähestymistavalla: "paksustamalla vain tarvittavat osat".

Professori Byoung Hun Leen johtama tutkimusryhmä on kehittänyt teknologian, joka alentaa merkittävästi kontaktiresistanssia suunnittelemalla uudelleen ultraohuiden telluuritransistorien (Te) metalli-puolijohde-kontaktirakenteen.

Tekoälyn (AI) ja suurteholaskennan nopean kehityksen myötä puolijohteiden käsiteltävän datan määrä kasvaa räjähdysmäisesti. Tämän seurauksena logiikan ja muistin välinen aika- ja energiahävikki on tunnistettu merkittäväksi pullonkaulaksi.

Tämän ratkaisemiseksi 3D-integroidut rakenteet, jotka pinoavat logiikan ja muistin pystysuunnassa, ovat saamassa merkittävää jalansijaa seuraavan sukupolven teknologiana. Näiden rakenteiden valmistaminen vaatii laitteita, jotka voivat toimia vakaasti jopa alle 400 °C:n lämpötiloissa.

Telluuria (Te) pidetään vahvana ehdokkaana puolijohdekanavamateriaaliksi sen suuren varausliikkuvuuden, huoneenlämpöisen pysyvyyden ja alhaisen lämpötilan prosessoitavuuden ansiosta. Sen kapea energiaväli tekee siitä kuitenkin alttiin vuotovirralle. Tämän minimoimiseksi kanava on valmistettava ultraohueksi, alle 5 nanometrin (nm) paksuiseksi, elektronien kuljetuksen tarkkaa hallintaa varten.

Ongelma syntyy, koska kanavan ohentuessa elektronien kulkeutuminen metallielektrodin ja puolijohteen rajapinnan yli rajoittuu merkittävästi.

Schottky-este – energiaeste, jonka elektronien on ylitettävä metallin ja puolijohteen välillä – kasvaa kanavan ohentuessa. Lopulta, vaikka tutkijat pystyivät vähentämään vuotovirtaa, se samanaikaisesti lisäsi kontaktiresistanssia, mikä heikensi merkittävästi rakenteen suorituskykyä.

Tämän ratkaisemiseksi POSTECH-tiimi käytti 'Raised Source and Drain (RSD)' -rakennetta, tekniikkaa, jota käytetään jo piiprosesseissa.

Ydinajatuksena on kerrostaa lisää telluuria paksuntamaan vain niitä alueita, jotka ovat suoraan kontaktissa elektrodien kanssa. Pitämällä virrankulkukanavan ohuena 4 nm:n paksuisena vuotovirran estämiseksi ja lisäämällä ylimääräistä telluuria metallielektrodien kanssa kontaktissa oleviin osiin tiimi mahdollisti virran kulun merkittävästi paremmalla hyötysuhteella.

Kokeelliset tulokset osoittivat, että tätä rakennetta hyödyntävien laitteiden kontaktiresistanssi pieneni dramaattisesti 50-kertaisesti, pudottuaan 97,5 kΩ·μm:stä 1,7 kΩ·μm:iin. Lisäksi äärimmäisessä -196 °C:n ympäristössä laitteen ollessa täysin päällä virta kasvoi yli 17-kertaisesti.

Merkillepantavaa on, että tämä teknologia voidaan toteuttaa laaja-alaisella, matalan lämpötilan pinnoitusprosessilla eli sputteroinnilla, mikä varmistaa puolijohteiden massatuotannossa vaadittavan korkean skaalautuvuuden.

Aiheesta aiemmin:

Printatut hyppykivet rikkovat 2D-kontaktien rajoitukset