De wet van Moore, de beroemde voorspelling dat het aantal transistors dat op een microchip kan worden gepakt om de paar jaar zal verdubbelen, loopt tegen fysieke basisgrenzen aan. Deze limieten kunnen tientallen jaren van vooruitgang tot stilstand brengen, tenzij er nieuwe benaderingen worden gevonden.

Een nieuwe richting die wordt onderzocht, is het gebruik van atomair dunne materialen in plaats van silicium als basis voor nieuwe transistors, maar het verbinden van die "2D"-materialen met andere conventionele elektronische componenten is moeilijk gebleken.

Nu onderzoekers van MIT, de Universiteit van Californië in Berkeley, de Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, en elders een nieuwe manier hebben gevonden om die elektrische verbindingen te maken, wat zou kunnen helpen om het potentieel van 2D-materialen te ontketenen en de miniaturisatie van componenten te bevorderen - mogelijk genoeg om de wet van Moore uit te breiden, in ieder geval voor de nabije toekomst, zeggen de onderzoekers.

De bevindingen worden deze week beschreven in het tijdschrift Nature, in een paper van recente MIT-afgestudeerden Pin-Chun Shen Ph.D. '20 en Cong Su Ph.D. '20, postdoc Yuxuan Lin Ph.D. '19, MIT-hoogleraren Jing Kong, Tomas Palacios, en Ju Li, en 17 anderen bij MIT, UC Berkeley, en andere instellingen.

"We hebben een van de grootste problemen bij het miniaturiseren van halfgeleiderapparaten opgelost, de contactweerstand tussen een metalen elektrode en een monolaag halfgeleidermateriaal, " zegt Su, die nu bij UC Berkeley is. De oplossing bleek eenvoudig:het gebruik van een halfmetaal, het element bismut, om de plaats in te nemen van gewone metalen om te verbinden met het monolaagmateriaal.

Dergelijke ultradunne monolaagmaterialen, in dit geval molybdeendisulfide, worden gezien als een belangrijke kanshebber voor een manier om de miniaturisatielimieten te omzeilen waarmee op silicium gebaseerde transistortechnologie nu wordt geconfronteerd. Maar het creëren van een efficiënte, zeer geleidende interface tussen dergelijke materialen en metalen geleiders, om ze met elkaar en met andere apparaten en stroombronnen te verbinden, was een uitdaging die de vooruitgang in de richting van dergelijke oplossingen tegenhield, zegt Su.

Het grensvlak tussen metalen en halfgeleidermaterialen (inclusief deze monolaagse halfgeleiders) produceert een fenomeen dat metaalgeïnduceerde spleettoestand wordt genoemd, wat leidt tot de vorming van een Schottky-barrière, een fenomeen dat de stroom van ladingsdragers remt. Het gebruik van een halfmetaal, waarvan de elektronische eigenschappen tussen die van metalen en halfgeleiders in liggen, gecombineerd met een juiste energie-uitlijning tussen de twee materialen, bleek het probleem te verhelpen.

Lin legt uit dat het snelle tempo van de miniaturisering van de transistors waaruit computerprocessors en geheugenchips bestaan, eerder tot stilstand is gekomen, rond 2000, totdat een nieuwe ontwikkeling die een driedimensionale architectuur van halfgeleiderapparaten op een chip mogelijk maakte, in 2007 de blokkade doorbrak en de snelle vooruitgang hervatte. Maar nu, hij zegt, "We denken dat we op de rand van een ander knelpunt staan."

Zogenaamde tweedimensionale materialen, dunne platen van slechts één of enkele atomen dik, voldoen aan alle vereisten om een ​​verdere sprong in de miniaturisering van transistors mogelijk te maken, een belangrijke parameter, de kanaallengte genaamd, mogelijk meerdere keren verkleinen - van ongeveer 5 tot 10 nanometer, in de huidige geavanceerde chips, op een subnanometerschaal. Een verscheidenheid van dergelijke materialen wordt op grote schaal onderzocht, waaronder een hele familie verbindingen die bekend staan ​​als overgangsmetaaldichalcogeniden. Het molybdeendisulfide dat in de nieuwe experimenten wordt gebruikt, behoort tot deze familie.

De kwestie van het bereiken van een metaalcontact met een lage weerstand met dergelijke materialen heeft ook het basisonderzoek naar de fysica van deze nieuwe monolaagmaterialen belemmerd. Omdat bestaande verbindingsmethoden zo'n hoge weerstand hebben, de piepkleine signalen die nodig zijn om het gedrag van elektronen in het materiaal te volgen, zijn te zwak om er doorheen te komen. "Er zijn talloze voorbeelden uit de natuurkunde die pleiten voor een lage contactweerstand tussen het metaal en een halfgeleider. Dus, het is ook een enorm probleem in de natuurkundewereld, ' zegt Su.

Uitzoeken hoe dergelijke systemen op commercieel niveau kunnen worden opgeschaald en geïntegreerd, kan enige tijd in beslag nemen en verdere engineering vereisen. Maar voor dergelijke natuurkundige toepassingen, zeggen de onderzoekers, de impact van de nieuwe bevindingen was snel voelbaar. "Ik denk in de natuurkunde, veel experimenten kunnen direct profiteren van deze technologie, ' zegt Su.

In de tussentijd, de onderzoekers blijven verder zoeken, door te gaan met het verkleinen van hun apparaten en op zoek te gaan naar andere combinaties van materialen die mogelijk betere elektrische contacten met de andere soorten ladingsdragers mogelijk maken, bekend als gaten. Ze hebben het probleem opgelost voor de zogenaamde N-type transistor, maar als ze een combinatie van kanaal en elektrisch contactmateriaal kunnen vinden om ook een efficiënte monolaag P-type transistor mogelijk te maken, dat zou veel nieuwe mogelijkheden bieden voor chips van de volgende generatie, ze zeggen.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.