Beveik du dešimtmečius mokslininkai ieško būdų, kaip pakeisti silicį – medžiagą, kuri šiandien naudojama visose moderniose kompiuterių mikroschemose. Didelės viltys siejamos su itin plonais dvimačiais (2D) puslaidininkiais: vos vieno ar dviejų atomų storio medžiagomis, kurios teoriškai leistų kurti mažesnius, greitesnius ir energiškai efektyvesnius tranzistorius.
Vis dėlto naujas Šiaurės Karolinos Diuko universiteto inžinierių tyrimas leidžia manyti, kad šių medžiagų galimybes iki šiol vertinome per iškreiptą „lęšį“. Mokslininkai nustatė, jog plačiai taikomas laboratorinių bandymų metodas gali reikšmingai dirbtinai padidinti tranzistorių našumo rodiklius.
Kai kuriais atvejais įrenginiai atrodė net iki šešių kartų pranašesni, nei būtų realiomis veikimo sąlygomis. Toks skirtumas gali iš esmės pakeisti požiūrį į 2D elektronikos perspektyvas.
Tyrimo autoriai atkreipia dėmesį į esminę problemą: dalis 2D tranzistorių laboratorinio testavimo metodikų nėra pakankamai suderinamos su tuo, kaip tranzistoriai iš tiesų gaminami ir veikia komercinėse mikroschemose.
Problema su užnugariu valdomu tranzistoriumi
Tranzistorius – tai mažas įtaisas, valdantis elektros srautą: jis gali įjungti arba išjungti srovę ir reguliuoti, kiek jos teka. Vienoje silicio mikroschemoje gali būti milijardai tranzistorių, todėl jie sudaro šiuolaikinių skaitmeninių technologijų pagrindą.
Tiriant itin jautrias 2D medžiagas, laboratorijose dažnai pasirenkama paprasta užnugariu valdoma (angl. back-gated) tranzistoriaus struktūra. Tokiu atveju įrenginys formuojamas ant vieno silicio pagrindo. Itin plonas puslaidininkis (dažniausiai molibdeno disulfidas, MoS2) sudaro kanalą, kuriuo tarp dviejų metalinių kontaktų teka srovė, o silicio pagrindas atlieka užtūros (vartų) funkciją ir įjungia arba išjungia srovės tekėjimą kanalu.
Tokia architektūra populiari, nes ją paprasta pagaminti ir ji leidžia greitai atlikti daug bandymų. Tačiau joje slypi mažiau akivaizdus reiškinys – vadinamoji kontaktų užtūra (angl. contact gating). Komerciniuose tranzistoriuose užtūra skirta valdyti tik kanalą – siaurą taką, kuriuo teka srovė.
Užnugariu valdomoje struktūroje užtūros elektrinis laukas veikia ne tik kanalą, bet ir puslaidininkinę medžiagą po metaliniais kontaktais. Dėl to sumažėja kontaktų varža ir srovė lengviau „įteka“ į įrenginį.
Mažesnė varža leidžia tranzistoriui atrodyti greitesniam ir galingesniam. Tačiau šis pagerėjimas kyla ne iš pačios medžiagos savybių, o iš bandymų architektūros. Be to, užnugariu valdoma struktūra netinka realioms mikroschemoms: jai būdingas lėtesnis perjungimas ir didesni nuotėkio srautai.
Vienas iš tyrimo autorių, Diuko universiteto elektros ir kompiuterių inžinerijos profesorius Aaronas Franklinas, pabrėžė, kad toks „našumo padidinimas“ skamba patraukliai, tačiau ši architektūra, nors ir patogi baziniams laboratoriniams bandymams, turi fizinių apribojimų, dėl kurių ji nepritaikoma praktinėse prietaisų technologijose.
Kaip atlikti sąžiningą 2D tranzistorių bandymą?
Siekdami įvertinti tikrąjį kontaktų užtūros poveikį, tyrėjai sukūrė simetrinį dvigubos užtūros tranzistorių. Jame virš ir po tuo pačiu 2D puslaidininkio kanalu buvo įrengtos atskiros užtūros. Esminis sprendimas – abiem atvejais išlaikyta identiška fizinė struktūra.
Skyrėsi tik tai, kuri užtūra buvo įjungiama: viršutinė ar apatinė. Vienu režimu kontaktų užtūros efektas pasireiškė, kitu – ne. Taip buvo galima atlikti tiesioginį, „vienas su vienu“, palyginimą.
Gauti rezultatai nustebino. Didesniuose įrenginiuose kontaktų užtūra apytikriai padvigubino išmatuotą našumą. Tačiau sumažinus tranzistorių iki matmenų, svarbių būsimiems lustams, efektas tapo dar ryškesnis.
Tyrėjų teigimu, esant sumažintoms dimensijoms (50 nm kanalo ilgiui ir 30 nm kontaktų ilgiui), kontaktų užtūros įtaka dar labiau sustiprėja: įjungtos būsenos našumas padidėja maždaug penkis kartus, o pernašos ilgis sumažėja apie 70 %, kai kontaktų užtūra veikia.
Išvada aiški: kontaktų užtūra yra kritiškas ir iki šiol nepakankamai įvertintas veiksnys, darantis didelę įtaką 2D lauko tranzistorių (FET) savybėms.
Tranzistoriams nuolat mažėjant, metaliniai kontaktai vis labiau ima dominuoti bendrame įrenginio elgesyje. Dėl to bet kuris mechanizmas, keičiantis kontaktų varžą, tampa ypač svarbus – ir tai paaiškina, kodėl „išpūsto našumo“ efektas stiprėja tranzistorius dar labiau miniatiūrizuojant.
Nauji lūkesčiai 2D elektronikai
Tyrimas nepaneigia dvimačių puslaidininkių potencialo, tačiau parodo, kad jų bandymai turi atitikti realias mikroschemų architektūras – tik taip galima objektyviai įvertinti, ką šios medžiagos iš tiesų gali pasiūlyti.
Ateityje Diuko universiteto komanda planuoja dar labiau trumpinti kontaktų ilgius – iki maždaug 15 nanometrų – ir tirti alternatyvius kontaktinius metalus, galinčius sumažinti varžą taip, kad sprendimai būtų suderinami su pramoninėmis lustų struktūromis.
Pagrindinis tikslas – suformuluoti aiškesnes projektavimo taisykles, kurios padėtų patikimiau integruoti 2D medžiagas į kitos kartos procesorius.
