研究揭示，大多数实验室测试悄然提高了2D晶体管的性能 | 安德鲁·泰，杜克大学 硅长期以来一直是制造晶体管的首选半导体，但现代技术正在推动材料的内在限制。晶体管内部的组件已经薄到物理允许的极限。为了突破这些限制，研究人员正在探索不同的材料，即使只有一到两个原子厚，也能正常工作——即所谓的2D材料。 反向栅极测试如何扭曲结果 为了研究这些材料的性能，研究人员通常依赖一种简单的“反向栅极”架构，该架构将晶体管的所有组件构建在一块硅片上，以便于制造并允许快速实验。在这种设置中，像二硫化钼（MoS₂）这样的超薄2D半导体位于两个金属接触电极之间，这些电极通过半导体传递电流。电流的流动通过将硅基底用作栅极控制来开启或关闭。 然而，栅极不仅仅调节2D半导体通道；在“反向栅极”架构中，它还影响金属接触下方的半导体部分。这产生了一种称为“接触栅极”的现象，这种效应通过使用栅极降低接触电阻来放大晶体管的性能。尽管这种性能的提升在最初是吸引人的，也是研究人员所希望的，但由于速度限制和电流泄漏等副作用，反向栅极架构无法在实际设备中使用。 “放大性能听起来是件好事，”富兰克林说。“但虽然这种架构在实验室的基本测试中很棒，但它有物理限制，阻止其在实际设备技术中使用。” 构建更公平的测试设备 为了揭示在数百项关于2D晶体管的实验室研究中存在的这一潜在影响因素，富兰克林实验室的博士生维多利亚·拉维尔花了一年时间制造一种新的设备架构，使团队能够直接测量接触栅极如何改变其性能。 她构建了一个对称的双栅晶体管，其中包括位于同一2D半导体通道上方和下方的栅极、接触和材料。控制设备的唯一区别在于是否存在接触栅极，因此她可以进行一对一的比较。 “在制造过程中，你永远不知道会遇到什么，”拉维尔说。“当你在如此小的尺寸下进行制造时，物理限制内你能做的事情开始变得非常困难。” 结果令人震惊。在较大的设备中，接触栅极大约使性能翻倍。随着拉维尔将设备缩小到未来技术相关的小尺寸，接触栅极效应增强。在50纳米的通道长度和30纳米的接触长度下，接触栅极使性能提高了多达六倍。 随着设备的缩小，富兰克林解释说，接触主导了整体性能。任何改变接触行为的机制变得越来越重要。由于多年来大多数报告的2D晶体管结果都使用了反向栅极架构，富兰克林和拉维尔的发现具有广泛的影响。 迈向现实2D设备的下一步 接下来，团队计划进一步推进缩放，将接触长度缩小到15纳米，并研究替代接触金属以降低接触电阻。更广泛的目标是为将2D半导体集成到未来晶体管技术中建立更清晰的设计规则。 “如果2D材料有一天要取代硅通道，”富兰克林说，“我们需要诚实地看待设备架构如何影响我们所测量的内容。这项工作是为了奠定基础。”