Beveik du dešimtmečius mokslininkai ieško būdų, kaip pakeisti silicį – medžiagą, kuri šiandien naudojama visose moderniose kompiuterių mikroschemose. Viltis siejama su itin plonais dvimačiais (2D) puslaidininkiais – vos vieno ar dviejų atomų storio medžiagomis, kurios galėtų leisti kurti mažesnius, greitesnius ir energiškai efektyvesnius tranzistorius.
Tačiau naujas Šiaurės Karolinos Diuko universiteto inžinierių tyrimas rodo, kad į šias medžiagas galbūt žvelgėme pro iškreiptą „lęšį“. Mokslininkai nustatė, kad plačiai naudojamas laboratorinis bandymų metodas gali reikšmingai išpūsti tranzistorių našumą.
Kai kuriais atvejais įrenginiai atrodė net iki šešių kartų geresni, nei būtų realiomis sąlygomis – tai toks skirtumas, kuris gali iš esmės pakeisti požiūrį į 2D elektronikos ateitį.
Šie rezultatai atskleidžia svarbią problemą: daugelio 2D tranzistorių laboratorinio testavimo metodika nėra suderinama su tuo, kaip iš tikrųjų gaminamos ir veikia komercinės mikroschemos.
Problema su užnugariu valdomu tranzistoriumi
Tranzistorius – tai mažas įtaisas, valdantis elektros srautą. Jis gali įjungti arba išjungti elektros srovę, taip pat reguliuoti, kiek jos teka. Vienoje silicio mikroschemoje gali būti milijardai tranzistorių, ir būtent jie sudaro visų skaitmeninių technologijų pagrindą.
Tyrinėjant itin jautrias 2D medžiagas, laboratorijose dažnai naudojama paprasta užnugariu valdoma (angl. back-gated) tranzistoriaus struktūra. Šiuo atveju viskas formuojama ant vieno silicio pagrindo. Itin plonas puslaidininkis – dažniausiai molibdeno disulfidas (MoS₂) – sudaro kanalą, kuriuo tarp dviejų metalinių kontaktų teka elektros srovė. Silicio pagrindas veikia kaip užtūra (vartai), kuri įjungia arba išjungia srovės tekėjimą kanalu.
Tokia architektūra populiari, nes ją lengva pagaminti ir ji leidžia greitai atlikti daugybę bandymų. Vis dėlto ji sukuria paslėptą reiškinį, vadinamą kontaktų užtūra (angl. contact gating). Komerciniuose tranzistoriuose užtūra skirta valdyti tik kanalą – siaurą taką, kuriuo teka srovė.
Užnugariu valdomoje struktūroje elektrinis laukas nuo užtūros veikia ir puslaidininkinę medžiagą po metaliniais kontaktais. Taip sumažinama elektrinė varža kontaktuose ir srovė daug lengviau patenka į įrenginį.
Mažesnė varža leidžia tranzistoriui atrodyti greitesniam ir galingesniam. Tačiau šis pagerėjimas kyla iš pačios bandymo architektūros, o ne iš medžiagos savybių. Dėl to užnugariu valdoma struktūra negali būti naudojama realiose mikroschemose – ji pasižymi lėtesniu perjungimu ir didesniais nuotėkio srautais.
„Našumo padidinimas skamba patraukliai. Tačiau nors ši architektūra puikiai tinka baziniams laboratoriniams bandymams, jai būdingi fizikiniai apribojimai, neleidžiantys jos naudoti realiose prietaisų technologijose“, – aiškino vienas iš tyrimo autorių, Diuko universiteto elektros ir kompiuterių inžinerijos profesorius Aaronas Franklinas.
Kaip atlikti sąžiningą 2D tranzistorių bandymą?
Norėdami įvertinti tikrąjį kontaktų užtūros poveikį, tyrėjai sukūrė simetrinį dvigubos užtūros tranzistorių. Jame virš ir po tuo pačiu 2D puslaidininkio kanalu buvo įrengtos atskiros užtūros. Svarbiausia, kad fizinė struktūra abiem atvejais išliko identiška.
Skyrėsi tik tai, kuri užtūra buvo aktyvuojama – viršutinė ar apatinė. Vienu atveju veikė kontaktų užtūros efektas, kitu – ne. Taip buvo galima atlikti tiesioginį, vienas su vienu, palyginimą.
Rezultatai nustebino. Didesniuose įrenginiuose kontaktų užtūra apytikriai padvigubino išmatuotą našumą. Kai tranzistoriai buvo sumažinti iki dimensijų, aktualių būsimiems lustams, efektas tapo dar ryškesnis.
„Esant sumažintoms dimensijoms (50 nm kanalo ilgiui ir 30 nm kontaktų ilgiui), kontaktų užtūros įtaka dar labiau sustiprėja – įjungtos būsenos našumas padidėja apie 5 kartus, o pernašos ilgis sumažėja maždaug 70 %, kai kontaktų užtūra veikia“, – nurodo tyrėjai.
„Šie rezultatai rodo, kad kontaktų užtūra yra kritiškas ir iki šiol nepakankamai įvertintas veiksnys, lemiantis 2D lauko tranzistorių (FET) savybes“, – pažymima toliau.
Tranzistoriams vis labiau mažėjant, metaliniai kontaktai ima dominuoti bendrame įrenginio elgesyje. Todėl bet kuris mechanizmas, keičiantis kontaktų varžą, tampa vis svarbesnis. Tai ir paaiškina, kodėl „išpūtimo“ efektas stiprėja, tranzistoriams tampant vis mažesniems.
Nauji lūkesčiai 2D elektronikoms
Tyrimas neabejoja dvimačių puslaidininkių potencialu, tačiau parodo, kad juos reikia testuoti taip, kaip jie būtų naudojami realiose mikroschemų architektūrose.
Ateityje Diuko komanda planuoja dar labiau sumažinti kontaktų ilgius – iki maždaug 15 nanometrų – ir tirti alternatyvius kontaktinius metalus, galinčius sumažinti varžą taip, kad tai būtų suderinama su pramoninėmis lustų struktūromis.
Pagrindinis tikslas – nustatyti aiškesnes projektavimo taisykles, leisiančias 2D medžiagas integruoti į „kitos kartos procesorius“.
