Исследование показало что лабораторные тесты завышают эффективность 2D-транзисторов в шесть раз
Исследователи из Университета Дьюка обнаружили, что общепринятые методы лабораторных испытаний могут значительно завышать реальные показатели производительности полупроводниковых транзисторов, созданных на основе ультратонких двумерных материалов. В течение почти двух десятилетий ученые стремились найти замену кремнию в производстве компьютерных чипов, возлагая большие надежды на 2D-полупроводники толщиной всего в один или два атома. Однако новое исследование, опубликованное в журнале ACS Nano, показывает, что перспективы этих материалов могли оцениваться через искажающую линзу.
Основная проблема, выявленная инженерами, заключается в широко распространенной архитектуре так называемого «транзистора с нижним затвором». Эта простая конструкция, в которой кремниевая подложка используется для управления током в канале из дисульфида молибдена (MoS₂), популярна в лабораториях из-за простоты изготовления. Однако в ходе экспериментов выяснилось, что в такой конфигурации возникает неучтенный ранее эффект «контактного управления». Электрическое поле затвора воздействует не только на канал транзистора, но и на полупроводник под металлическими контактами, искусственно снижая сопротивление и облегчая прохождение тока. В результате устройство демонстрирует значительно лучшие характеристики, чем могло бы в реальных условиях эксплуатации.
Чтобы оценить масштаб искажений, исследователи под руководством профессора Аарона Франклина создали симметричный транзистор с двумя затворами — верхним и нижним. Используя идентичную физическую структуру, они могли включать либо один, либо другой затвор, что позволяло напрямую сравнить влияние «контактного управления». Результаты оказались поразительными: в более крупных устройствах наличие этого эффекта примерно удваивало измеряемую производительность. Однако когда ученые уменьшили транзисторы до размеров, сопоставимых с будущими коммерческими чипами (длина канала 50 нм и длина контакта 30 нм), влияние искажений резко возросло. Присутствие «контактного управления» приводило к увеличению рабочих характеристик почти в шесть раз по сравнению с показателями, полученными в реалистичной конфигурации без этого эффекта. Как отмечают авторы исследования, по мере миниатюризации транзисторов металлические контакты начинают играть доминирующую роль, поэтому любой фактор, влияющий на контактное сопротивление, становится критически важным.
Профессор Франклин пояснил, что, хотя лабораторная архитектура с нижним затвором отлично подходит для базовых экспериментов, она имеет физические ограничения, делающие ее непригодной для реальных технологий. «Усиление производительности звучит как нечто хорошее, — заявил он. — Но это преимущество обусловлено самой тестовой архитектурой, а не исключительно свойствами материала».
Данное исследование не ставит под сомнение потенциал двумерных полупроводников как таковых, но подчеркивает необходимость разработки методов тестирования, которые соответствуют реалиям коммерческого производства чипов. В дальнейшем команда из Университета Дьюка планирует продолжить эксперименты, уменьшая длину контактов до 15 нанометров и изучая альтернативные металлы, способные снизить сопротивление без использования искусственных эффектов. Конечная цель ученых — сформировать четкие правила проектирования, которые позволят корректно интегрировать 2D-материалы в процессоры нового поколения и избежать завышенных ожиданий, основанных на некорректных данных.
Результаты исследования в журнале ACS Nano.