Dieser Fortschritt ermöglicht möglicherweise 2D-Transistoren für kleinere Mikrochip-Komponenten

Atomar dünne Materialien sind eine vielversprechende Alternative zu Silizium-basierten Transistoren; jetzt können Forscher sie effizienter mit anderen Chipelementen verbinden.

Moores Gesetz, die berühmte Vorhersage, dass sich die Anzahl der Transistoren, die auf einen Mikrochip gepackt werden können, alle paar Jahre verdoppeln wird, stößt an grundlegende physikalische Grenzen. Diese Grenzen könnten den jahrzehntelangen Fortschritt zum Erliegen bringen – es sei denn, es werden neue Ansätze gefunden.

Eine neue Richtung, die erforscht wird, ist die Verwendung von atomar dünnen Materialien anstelle von Silizium als Grundlage für neue Transistoren, aber die Verbindung dieser „2D“-Materialien mit anderen herkömmlichen elektronischen Komponenten hat sich als schwierig erwiesen.

Jetzt haben Forscher am MIT, der University of California in Berkeley, der Taiwan Semiconductor Manufacturing Company und anderswo einen neuen Weg gefunden, diese elektrischen Verbindungen herzustellen, der dazu beitragen könnte, das Potenzial von 2D-Materialien freizusetzen und die Miniaturisierung von Komponenten voranzutreiben – möglicherweise genug um das Moore'sche Gesetz zumindest für die nahe Zukunft zu erweitern, sagen die Forscher.

„Wir haben eines der größten Probleme bei der Miniaturisierung von Halbleiterbauelementen gelöst, den Kontaktwiderstand zwischen einer Metallelektrode und einem Monoschicht-Halbleitermaterial“, sagte Dr. Cong Su, der jetzt an der UC Berkeley ist. Die Lösung erwies sich als einfach:die Verwendung eines Halbmetalls, des Elements Wismut, als Ersatz für gewöhnliche Metalle zur Verbindung mit dem Monoschichtmaterial.

Solche ultradünnen Monoschichtmaterialien, in diesem Fall Molybdändisulfid, werden als Hauptanwärter für einen Weg gesehen, um die Miniaturisierungsgrenzen zu umgehen, auf die die Silizium-basierte Transistortechnologie jetzt stößt. Aber laut Su war die Schaffung einer effizienten, hochleitfähigen Schnittstelle zwischen solchen Materialien und Metallleitern, um sie miteinander und mit anderen Geräten und Stromquellen zu verbinden, eine Herausforderung, die den Fortschritt in Richtung solcher Lösungen aufhielt.

Die Grenzfläche zwischen Metallen und Halbleitermaterialien (einschließlich dieser Monoschichthalbleiter) erzeugt ein Phänomen, das als metallinduzierter Lückenzustand bezeichnet wird und zur Bildung einer Schottky-Barriere führt, einem Phänomen, das den Fluss von Ladungsträgern hemmt. Es stellte sich heraus, dass die Verwendung eines Halbmetalls, dessen elektronische Eigenschaften zwischen denen von Metallen und Halbleitern liegen, in Kombination mit einer geeigneten Energieausrichtung zwischen den beiden Materialien das Problem beseitigte.

Dr. Yuxuan Lin erklärte, dass das rasante Tempo der Miniaturisierung der Transistoren, aus denen Computerprozessoren und Speicherchips bestehen, um das Jahr 2000 herum ins Stocken geraten sei, bis eine neue Entwicklung, die eine dreidimensionale Architektur von Halbleiterbauelementen auf einem Chip ermöglichte, den Durchbruch schaffte Stau im Jahr 2007 und schnelle Fortschritte wieder aufgenommen. Aber jetzt, sagt er, „glauben wir, dass wir am Rande eines weiteren Engpasses stehen.“

Sogenannte zweidimensionale Materialien, dünne Folien mit einer Dicke von nur einem oder wenigen Atomen, erfüllen alle Voraussetzungen, um einen weiteren Sprung in der Miniaturisierung von Transistoren zu ermöglichen und potenziell einen Schlüsselparameter namens Kanallänge um ein Vielfaches zu reduzieren – von etwa 5 auf 10 Nanometer, in aktuellen Spitzenchips, bis in den Subnanometerbereich. Eine Vielzahl solcher Materialien wird umfassend erforscht, einschließlich einer Familie von Verbindungen, die als Übergangsmetalldichalkogenide bekannt sind. Das in den neuen Experimenten verwendete Molybdändisulfid gehört zu dieser Familie. Das Problem, einen niederohmigen Metallkontakt mit solchen Materialien zu erreichen, hat auch die Grundlagenforschung zur Physik dieser neuartigen Monoschichtmaterialien behindert. Da bestehende Verbindungsmethoden einen so hohen Widerstand haben, sind die winzigen Signale, die zur Überwachung des Verhaltens von Elektronen im Material benötigt werden, zu schwach, um durchzukommen.

Herauszufinden, wie solche Systeme auf kommerzieller Ebene skaliert und integriert werden können, könnte einige Zeit in Anspruch nehmen und weitere Entwicklung erfordern. Aber für solche physikalischen Anwendungen, sagen die Forscher, könnten die Auswirkungen der neuen Erkenntnisse schnell zu spüren sein.

In der Zwischenzeit forschen die Forscher weiter, reduzieren die Größe ihrer Geräte und suchen nach anderen Materialpaarungen, die einen besseren elektrischen Kontakt zu der anderen Art von Ladungsträgern – Löchern – ermöglichen könnten. Sie haben das Problem für den sogenannten N-Typ-Transistor gelöst, aber wenn sie eine Kombination aus Kanal- und elektrischem Kontaktmaterial finden können, um auch einen effizienten Monoschicht-P-Typ-Transistor zu ermöglichen, würde das viele neue Möglichkeiten für die nächste Generation eröffnen Chips, sagt man.