La maggior parte dei test di laboratorio gonfia silenziosamente le prestazioni dei transistor 2D, rivela la ricerca | Andrew Tie, Università di Duke Il silicio è da tempo il semiconduttore di scelta per realizzare transistor, ma la tecnologia moderna sta spingendo i limiti intrinseci del materiale. Già, i componenti trovati all'interno dei transistor sono sottili quanto la fisica consente. Per superare questi limiti, i ricercatori stanno esplorando materiali diversi che possono ancora funzionare anche se spessi solo uno o due atomi: i cosiddetti materiali 2D. Come i test con gate posteriore distorcono i risultati Per studiare le prestazioni di questi materiali, i ricercatori spesso si affidano a un'architettura "con gate posteriore" semplice che costruisce tutti i componenti del transistor su un unico pezzo di silicio per facilitare la fabbricazione e consentire esperimenti rapidi. In questa configurazione, un semiconduttore 2D ultrafine come il disolfuro di molibdeno (MoS₂) si trova tra due elettrodi di contatto metallici che fanno passare corrente attraverso il semiconduttore. Il flusso di corrente viene attivato o disattivato utilizzando il substrato di silicio come controllo del gate. Tuttavia, il gate non modula solo il canale del semiconduttore 2D; nell'architettura "con gate posteriore", influisce anche sulla porzione del semiconduttore che si trova sotto i contatti metallici. Questo crea un fenomeno chiamato "contatto gating", un effetto che amplifica le prestazioni del transistor abbassando la resistenza di contatto utilizzando il gate. Sebbene questo miglioramento delle prestazioni sia inizialmente attraente e ciò che i ricercatori desiderano, l'architettura con gate posteriore non può essere utilizzata in un dispositivo reale a causa delle limitazioni di velocità e delle perdite di corrente elettrica che sono effetti collaterali dell'architettura. "Amplificare le prestazioni sembra una cosa positiva," ha detto Franklin. "Ma mentre questa architettura è ottima per test di base in laboratorio, ha limitazioni fisiche che ne impediscono l'uso in una tecnologia di dispositivo reale." Costruire un dispositivo di test più equo Per rivelare questo fattore sottostante che è presente in centinaia di studi di laboratorio sui transistor 2D, Victoria Ravel, una studentessa di dottorato nel laboratorio di Franklin, ha trascorso un anno a fabbricare una nuova architettura di dispositivo che consente al team di misurare direttamente quanto il contatto gating altera le loro prestazioni. Ha costruito un transistor a doppio gate simmetrico, che include gate sopra e sotto lo stesso canale di semiconduttore 2D, contatti e materiali. L'unica differenza tra il controllo del dispositivo con il gate posteriore o superiore era se il contatto gating fosse presente, quindi poteva eseguire un confronto uno a uno. "Con la fabbricazione, non sai mai cosa ti aspetta," ha detto Ravel. "Quando stai fabbricando a dimensioni così piccole, le cose iniziano a diventare davvero difficili con ciò che sei in grado di fare all'interno dei limiti fisici." I risultati sono stati sorprendenti. Nei dispositivi più grandi, il contatto gating ha raddoppiato le prestazioni. Man mano che Ravel riduceva le dimensioni dei dispositivi a dimensioni minuscole rilevanti per le tecnologie future, l'effetto del contatto gating aumentava. A una lunghezza del canale di 50 nanometri e lunghezze di contatto di 30 nanometri, il contatto gating ha aumentato le prestazioni fino a sei volte. Man mano che i dispositivi si riducono, ha spiegato Franklin, i contatti dominano le prestazioni complessive. Qualsiasi meccanismo che altera il comportamento del contatto diventa sempre più importante. Poiché la maggior parte dei risultati sui transistor 2D riportati nel corso degli anni ha utilizzato architetture con gate posteriore, le scoperte di Franklin e Ravel hanno ampie implicazioni. Prossimi passi verso dispositivi 2D realistici Successivamente, il team prevede di spingere ulteriormente la scalabilità, con lunghezze di contatto fino a 15 nanometri, e indagare metalli di contatto alternativi per ridurre la resistenza di contatto. L'obiettivo più ampio è stabilire regole di design più chiare per integrare i semiconduttori 2D nelle future tecnologie dei transistor. "Se i materiali 2D dovranno sostituire i canali di silicio un giorno," ha detto Franklin, "dobbiamo essere onesti su come l'architettura del dispositivo influisce su ciò che misuriamo. Questo lavoro riguarda la creazione di quella base."