Atomtunna halvledare kan skalas ned till mycket smala transistorkanaler utan att prestandan kollapsar. Forskare vid Chalmers och Stanford har tillverkat 2D-transistorer med kanaler på bara 25 nanometer, ett resultat som stärker materialens möjligheter i framtida energieffektiva chip.
Tvådimensionella halvledare har länge pekats ut som ett möjligt komplement eller på längre sikt alternativ till kisel. Materialen består av lager som bara är några få atomer tjocka och kan därför ge bättre kontroll över strömmen när transistorerna krymper.
Ett problem har varit vad som händer när även transistorernas bredd skalas ned. När kanalen blir mycket smal får dess kanter större betydelse, och defekter längs de etsade kanterna har befarats försämra transistorernas elektriska egenskaper.
I den nya studien, publicerad i Nature Nanotechnology, visar forskare från Stanford University och Chalmers tekniska högskola att problemet åtminstone ned till 25 nanometers kanalbredd är mindre än befarat. Transistorerna fortsatte att fungera med prestanda i nivå med betydligt bredare 2D-transistorer.
– Det som är särskilt uppmuntrande, och som faktiskt överraskade oss, är att transistorerna fortsatte att fungera väl även när kanalerna gjordes extremt smala, säger Anton Persson, biträdande universitetslektor vid Chalmers och en av studiens huvudförfattare.
Forskarna testade tre atomtunna halvledarmaterial: molybdendisulfid, MoS2, volframdisulfid, WS2, och volframdiselenid, WSe2. Särskilt WS2-transistorerna utmärkte sig. Enligt forskarna nådde de en strömtäthet som var mer än hundra gånger högre än i tidigare rapporterade 2D-transistorer av samma typ.
För att kunna tillverka de smala kanalerna utvecklade forskarna en så kallad dog-bone-struktur. Själva transistorkanalen görs mycket smal, medan materialet lämnas bredare under metallkontakterna. Det hjälper till att hålla det känsliga atomtunna materialet på plats under tillverkningen. En flerstegsprocess för etsningen gjorde det möjligt att komma ned till 25 nanometers kanalbredd.
Resultatet innebär inte att 2D-material är redo att ersätta kisel. Flera problem återstår innan tekniken kan användas för massproduktion av integrerade kretsar. Men studien tyder på att just kanalbredden och defekterna längs dess kanter kanske inte blir den begränsning som tidigare befarats.