纳米技术进步使具有具有非凡性能的微小晶体管

半导体和2D半导体之间的接口

在半金属(铋)和2D半导体(MoS2)的界面上,电子没有通过的能垒,导致它们之间的接触电阻极低。信贷:由研究人员提供

原子上薄材料是基于硅基晶体管的有希望的替代物;现在研究人员可以将它们更有效地连接到其他芯片元素。

Moore的法律,着名的预测:每隔几年可以填充到微芯片上的晶体管的数量将增加到基本物理限制。除非发现新方法,否则这些限制可能会使几十年的进展降至停止。

正在探索的一个新方向是使用原子薄材料而不是硅作为新晶体管的基础,但是将那些“2D”材料连接到其他传统的电子元件的基础已经证明困难。

现在研究人员麻省理工学院, the University of California at Berkeley, the Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, and elsewhere have found a new way of making those electrical connections, which could help to unleash the potential of 2D materials and further the miniaturization of components — possibly enough to extend Moore’s Law, at least for the near future, the researchers say.

研究结果在杂志中描述自然, in a paper by recent MIT graduates Pin-Chun Shen PhD ’20 and Cong Su PhD ’20, postdoc Yuxuan Lin PhD ’19, MIT professors Jing Kong, Tomas Palacios, and Ju Li, and 17 others at MIT, UC Berkeley, and other institutions.

单层半导体晶体管

单层半导体晶体管的例证。信贷:由研究人员提供

“我们解决了小型化半导体器件中的最大问题之一,金属电极和单层半导体材料之间的接触电阻,”苏联伯克利的苏说。该解决方案证明是简单的:使用半型,元素铋,取代普通金属以与单层材料连接。

在这种情况下,这种超薄单层材料在这种情况下被视为硅基晶体管技术现在遇到的微型化限制的一种主要竞争者。但是在这种材料和金属导体之间创造了高效,高导电的界面,以便将它们彼此连接到其他设备和电源,这是一个挑战,这是一个挑战,苏说。

金属和半导体材料(包括这些单层半导体)之间的界面产生称为金属诱导的间隙状态的现象,这导致肖特基屏障的形成,抑制电荷载体流动的现象。使用半型,其电子性质落在金属和半导体之间,与两种材料之间的适当能量对准结合,原来消除了问题。

林解释说,在2000年之前,晶体管的晶体管的小型化的快速速度已经停滞不前,直到允许在芯片上的半导体器件的三维架构的新的开发,在2007年打破了Logjam的新的开发快速进展恢复。但是现在,他说,“我们认为我们正在另一个瓶颈的边缘。”

具有非凡表演的小型化晶体管

通过这种技术,对具有非凡表演的小型化晶体管进行了说明,满足了对未来晶体管和微芯片的技术路线图的要求。信贷:由研究人员提供

所谓的二维材料,薄片厚度仅有一个或几个原子,满足所有的要求使进一步小型化的晶体管的飞跃,可能减少几次一个叫做通道长度的关键参数——从大约5到10纳米,在当前先进的芯片,subnanometer规模。各种这样的材料正在被广泛探索,包括一个称为过渡金属双硫属化合物的整个家族。新实验中使用的二硫化钼就属于这一类。

与此类材料实现低电阻金属接触的问题也阻碍了对这些新型单层材料的物理基础研究。由于现有的连接方法具有如此高的电阻,用来监测材料中电子行为的微小信号太弱而无法通过。“有很多来自物理方面的例子,要求金属和半导体之间的接触电阻低。所以,这在物理世界也是一个巨大的问题。”

弄清楚如何在商业层面上扩展和整合这些系统可能需要一些时间并需要进一步的工程。但对于这些物理应用,研究人员表示,可以很快感受到新发现的影响。“我觉得在物理学中,许多实验可以立即受益于这项技术,”苏说。

与此同时,研究人员继续进一步探索,继续减少其设备的大小,并寻找可以使其他类型的电荷载体能够更好地具有更好的电触点的材料,称为孔。它们解决了所谓的n型晶体管的问题,但如果它们可以找到通道和电接触材料的组合,也可以实现高效的单层P型晶体管,这将为下一代开辟许多新的可能性他们说,芯片。

Pin-Chun Shen,Cong Su,Yuxuan Lin,Chen-Ching Cheng,Ji-Hoon Park,Ming-Hui,Ang-yu Lu,Hao,Cong Su,Yuxuan Lin之间的超声波和半导体半导体之间的Ultralole和Monolayer Semiconductors。- 唐,Mahammad Mahdi Tavakoli,Gregory Pitner,Xiang Ji,Zhengyang Cai,Nannan Mao,江涛王,文森特,ju Li,Jeffrey Bokor,Alex Zettl,Chih-I Wu,Tomás帕拉西奥,Lain-Jong Li和Jing Kong,5月20日,自然
DOI:10.1038 / S41586-021-03472-9

除了麻省理工学院和伯克利加州大学之外,该团队还包括劳伦斯伯克利国家实验室,台湾半导体制造公司,国立大学和阿卜杜拉国王科技大学的研究人员在沙特阿拉伯。该工作得到了国家科学基金会,美国陆军研究办公室,海军研究办公室,美国能源部。

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