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近二十年來(lái)，二維（2D）半導(dǎo)體一直被作為硅晶體管的補(bǔ)充材料乃至潛在替代方案進(jìn)行研究，它們有望實(shí)現(xiàn)更小、更快、更節(jié)能的處理器。為簡(jiǎn)化其制備與測(cè)試流程，該領(lǐng)域的大量研究都采用一種會(huì)引發(fā) “接觸柵控” 現(xiàn)象的器件結(jié)構(gòu)，來(lái)評(píng)估二維半導(dǎo)體的潛力。

如今，杜克大學(xué)電子工程師的研究結(jié)果表明，這種方法會(huì)在無(wú)形中夸大晶體管的紙面性能，且無(wú)法轉(zhuǎn)化為商用技術(shù)。這項(xiàng)研究于 2 月 17 日發(fā)表在《ACS Nano》期刊上，由電氣與計(jì)算機(jī)工程系講席教授亞倫?富蘭克林（Aaron Franklin）團(tuán)隊(duì)完成。

“大多數(shù)高性能二維晶體管的報(bào)道，所采用的器件設(shè)計(jì)都與商用技術(shù)不兼容?！?富蘭克林表示，“我們的研究表明，這種設(shè)計(jì)會(huì)改變晶體管的工作方式，從而顯著夸大其性能。如果不考慮這一點(diǎn)，就很難公正評(píng)估這些材料在未來(lái)晶體管技術(shù)中的真實(shí)表現(xiàn)?！?/p>

晶體管是所有計(jì)算機(jī)的基本組成單元。它們通過(guò)快速開(kāi)啟和關(guān)閉電流，形成所有編程語(yǔ)言所使用的 “0” 和 “1”。為提升處理性能，晶體管必須做得更小、更快、更高效 —— 或三者兼具。

長(zhǎng)期以來(lái)，硅一直是制造晶體管的首選半導(dǎo)體，但現(xiàn)代技術(shù)正在逼近這一材料的本征極限。如今，晶體管內(nèi)部的部分結(jié)構(gòu)已經(jīng)薄到物理規(guī)律所能允許的極限。為突破這些限制，研究人員正在探索即便只有一兩個(gè)原子厚度仍能正常工作的新型材料，也就是所謂的二維材料。

背柵測(cè)試為何會(huì)扭曲結(jié)果

為研究這些材料的性能，研究人員通常采用簡(jiǎn)單的 “背柵” 結(jié)構(gòu)：將晶體管的所有元件制作在同一塊硅片上，以簡(jiǎn)化制備流程并支持快速實(shí)驗(yàn)。在這種結(jié)構(gòu)中，二硫化鉬（MoS?）等超薄二維半導(dǎo)體位于兩個(gè)金屬接觸電極之間，由電極向半導(dǎo)體通入電流；而硅基底則作為柵極，控制電流的開(kāi)啟與關(guān)閉。

然而，柵極并非只調(diào)控二維半導(dǎo)體溝道：在背柵結(jié)構(gòu)中，它還會(huì)影響金屬接觸下方的半導(dǎo)體區(qū)域，從而產(chǎn)生一種被稱為“接觸柵控”的效應(yīng)。這種效應(yīng)通過(guò)柵極降低接觸電阻，進(jìn)而放大晶體管的性能。盡管這種性能提升乍看十分誘人，也符合研究者的預(yù)期，但受限于速度不足與漏電流等結(jié)構(gòu)本身的副作用，背柵結(jié)構(gòu)無(wú)法用于實(shí)際器件。

“放大性能聽(tīng)起來(lái)是件好事。” 富蘭克林說(shuō)，“但這種結(jié)構(gòu)雖然非常適合實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)測(cè)試，卻存在物理上的局限，無(wú)法用于實(shí)際器件技術(shù)?！?/p>

構(gòu)建更公平的測(cè)試器件

為揭示數(shù)百篇二維晶體管實(shí)驗(yàn)室研究中普遍存在的這一深層影響因素，富蘭克林課題組的博士生維多利亞?拉維爾（Victoria Ravel）耗時(shí)一年，制備出一種全新的器件結(jié)構(gòu)，使團(tuán)隊(duì)能夠直接測(cè)量接觸柵控對(duì)性能的影響程度。

她制作了對(duì)稱雙柵晶體管，在同一條二維半導(dǎo)體溝道、接觸電極與材料的上方和下方均設(shè)置柵極。使用背柵或頂柵控制器件的唯一區(qū)別，就在于是否存在接觸柵控，因此可以實(shí)現(xiàn)一對(duì)一的對(duì)比。

“在微納加工中，你永遠(yuǎn)不知道會(huì)遇到什么問(wèn)題。” 拉維爾說(shuō)，“當(dāng)尺寸縮到這么小時(shí)，在物理限制內(nèi)完成加工會(huì)變得非常困難。”

結(jié)果十分驚人：在尺寸較大的器件中，接觸柵控可使性能提升約一倍；當(dāng)拉維爾將器件縮小到未來(lái)技術(shù)所需的極小尺寸時(shí)，接觸柵控效應(yīng)進(jìn)一步增強(qiáng)。在溝道長(zhǎng)度 50 納米、接觸長(zhǎng)度 30 納米的條件下，接觸柵控可將性能提升最高達(dá)六倍。

富蘭克林解釋道，隨著器件尺寸縮小，接觸電阻會(huì)主導(dǎo)整體性能，任何改變接觸特性的機(jī)制都會(huì)變得愈發(fā)重要。由于多年來(lái)報(bào)道的大多數(shù)二維晶體管研究結(jié)果都采用了背柵結(jié)構(gòu)，因此富蘭克林與拉維爾的這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)具有廣泛影響。

邁向?qū)嵱没S器件的下一步

研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃繼續(xù)將尺寸進(jìn)一步縮小，將接觸長(zhǎng)度降至 15 納米，并探索替代接觸金屬以降低接觸電阻。更宏觀的目標(biāo)是為將二維半導(dǎo)體集成到未來(lái)晶體管技術(shù)中，建立更清晰的設(shè)計(jì)規(guī)范。

“如果二維材料未來(lái)要取代硅溝道，” 富蘭克林說(shuō)，“我們就必須誠(chéng)實(shí)地看待器件結(jié)構(gòu)如何影響我們的測(cè)量結(jié)果。這項(xiàng)工作正是在為此打下基礎(chǔ)?！?/p>

（來(lái)源：phys.org）

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