All'interfaccia tra il semimetallo (bismuto) e il semiconduttore 2D (MoS2), non c'è barriera energetica per il passaggio dell'elettrone, portando a una resistenza di contatto estremamente bassa tra di loro. Credito:Massachusetts Institute of Technology
La legge di Moore, la famosa previsione che il numero di transistor che possono essere impacchettati in un microchip raddoppierà ogni due anni, è andato a sbattere contro i limiti fisici di base. Questi limiti potrebbero arrestare decenni di progresso, a meno che non si trovino nuovi approcci.
Una nuova direzione esplorata è l'uso di materiali atomicamente sottili invece del silicio come base per nuovi transistor, ma collegare quei materiali "2D" ad altri componenti elettronici convenzionali si è rivelato difficile.
Ora i ricercatori del MIT, l'Università della California a Berkeley, la società di produzione di semiconduttori di Taiwan, e altrove hanno trovato un nuovo modo di fare quei collegamenti elettrici, che potrebbe aiutare a liberare il potenziale dei materiali 2D e promuovere la miniaturizzazione dei componenti, forse abbastanza da estendere la legge di Moore, almeno per il prossimo futuro, dicono i ricercatori.
I risultati sono descritti questa settimana sulla rivista Nature, in un articolo dei neolaureati del MIT Pin-Chun Shen Ph.D. '20 e Cong Su Ph.D. '20, postdoc Yuxuan Lin Ph.D. '19, professori del MIT Jing Kong, Tommaso Palacios, e Ju Li, e altri 17 al MIT, UC Berkeley, e altre istituzioni.
"Abbiamo risolto uno dei maggiori problemi nella miniaturizzazione dei dispositivi a semiconduttore, la resistenza di contatto tra un elettrodo metallico e un materiale semiconduttore monostrato, " dice Su, che ora è all'Università di Berkeley. La soluzione si è rivelata semplice:l'uso di un semimetallo, l'elemento bismuto, per prendere il posto dei metalli ordinari per connettersi con il materiale monostrato.
Un'illustrazione del transistor a semiconduttore monostrato. Credito:Massachusetts Institute of Technology
Tali materiali monostrato ultrasottili, in questo caso bisolfuro di molibdeno, sono visti come uno dei principali contendenti per aggirare i limiti di miniaturizzazione attualmente incontrati dalla tecnologia dei transistor a base di silicio. Ma creando un efficiente, interfaccia altamente conduttiva tra tali materiali e conduttori metallici, per collegarli tra loro e ad altri dispositivi e fonti di alimentazione, era una sfida che frenava il progresso verso tali soluzioni, Su dice.
L'interfaccia tra metalli e materiali semiconduttori (compresi questi semiconduttori monostrato) produce un fenomeno chiamato stato di gap indotto dal metallo, che porta alla formazione di una barriera Schottky, un fenomeno che inibisce il flusso dei portatori di carica. L'uso di un semimetallo, le cui proprietà elettroniche rientrano tra quelle dei metalli e dei semiconduttori, combinato con un corretto allineamento energetico tra i due materiali, si è rivelato eliminare il problema.
Lin spiega che il rapido ritmo di miniaturizzazione dei transistor che compongono i processori dei computer e i chip di memoria si è fermato in precedenza, intorno al 2000, fino a quando un nuovo sviluppo che ha consentito un'architettura tridimensionale di dispositivi a semiconduttore su un chip ha rotto l'impasse nel 2007 e sono ripresi rapidi progressi. Ma ora, lui dice, "Pensiamo di essere sull'orlo di un altro collo di bottiglia".
I cosiddetti materiali bidimensionali, fogli sottili spessi solo uno o pochi atomi, soddisfare tutti i requisiti per consentire un ulteriore salto di qualità nella miniaturizzazione dei transistor, potenzialmente riducendo di diverse volte un parametro chiave chiamato lunghezza del canale, da circa 5 a 10 nanometri, negli attuali chip all'avanguardia, ad una scala subnanometrica. Una varietà di tali materiali è stata ampiamente esplorata, compresa un'intera famiglia di composti noti come dicalcogenuri di metalli di transizione. Appartiene a questa famiglia il bisolfuro di molibdeno utilizzato nei nuovi esperimenti.
Con questa tecnologia, vengono dimostrati transistor miniaturizzati dalle prestazioni straordinarie, soddisfare i requisiti per la roadmap tecnologica per i futuri transistor e microchip. Credito:Massachusetts Institute of Technology
Anche il problema di ottenere un contatto metallico a bassa resistenza con tali materiali ha ostacolato la ricerca di base sulla fisica di questi nuovi materiali monostrato. Poiché i metodi di connessione esistenti hanno una resistenza così elevata, i minuscoli segnali necessari per monitorare il comportamento degli elettroni nel materiale sono troppo deboli per essere trasmessi. "Ci sono numerosi esempi provenienti dal lato fisico che richiedono una resistenza a basso contatto tra il metallo e un semiconduttore. Quindi, è un grosso problema anche nel mondo della fisica, "Dice Su.
Capire come ampliare e integrare tali sistemi a livello commerciale potrebbe richiedere del tempo e richiedere ulteriore ingegneria. Ma per tali applicazioni fisiche, dicono i ricercatori, l'impatto delle nuove scoperte potrebbe essere avvertito rapidamente. "Penso che in fisica, molti esperimenti possono beneficiare immediatamente di questa tecnologia, "Dice Su.
Nel frattempo, i ricercatori continuano a esplorare ulteriormente, continuando a ridurre le dimensioni dei loro dispositivi e cercando altri accoppiamenti di materiali che potrebbero consentire migliori contatti elettrici con l'altro tipo di portatori di carica, conosciuti come buchi. Hanno risolto il problema per il cosiddetto transistor di tipo N, ma se riescono a trovare una combinazione di canale e materiale di contatto elettrico per consentire anche un efficiente transistor di tipo P monostrato, che aprirebbe molte nuove possibilità per i chip di prossima generazione, dicono.
Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.
