トランジスタにおける新しい 2D 材料の開発に関する研究のおかげで、より高速で効率的なデジタル技術の新時代が近づいています。
南京大学の研究者が開発中の材料により、より多くのトランジスタをチップ上に搭載できるようになり、より高速で強力なコンピュータや新技術が可能になる可能性があります。この材料はまだ実験段階ですが、研究者らはトランジスタへの使用を妨げていた 2 つの重要な技術的課題を克服しました。
新しいトランジスタ材料の開発は、スマートフォンから自動車に至るまであらゆるものにシリコンチップを追加できる「ビヨンドシリコンエレクトロニクス」の実現に向けた重要な一歩です。 「シリコントランジスタには限界があります」と、研究を主導した南京大学の電気技術者シンラン・ワン氏は言う。 「ビヨンドシリコン エレクトロニクスは、テクノロジーと私たちの日常生活に革命をもたらすため、非常に重要です。」
シリコンを超えて進むことは、フレキシブル スクリーンや超効率センサーなどの新しいデバイスの開発にとっても、量子コンピューティングや人工知能などの破壊的テクノロジーの実現にとっても不可欠です。
このwにあるような新しいトランジスタアファースケールの二次元半導体リング発振回路は、より高速でより強力なコンピュータ.
クレジット: 南京大学
シリコン制限
過去 60 年間、マイクロチップに搭載できるシリコン トランジスタ (集積回路の構成要素) の数は 2 年ごとに 2 倍になりました。この傾向はムーアの法則として知られています。しかし、この限界は急速に近づいています。なぜなら、シリコン トランジスタは一定のサイズ以下になるとリーク電流が発生し、効率が低下し、チップのエネルギー消費が「容認できない」ものになるからです。
この問題を解決するために、ワン氏のチームは新しい非シリコン材料の使用を検討しています。これらには、二硫化モリブデン (MoS) などの「2D 遷移金属ジカルコゲニド」(TMD) が含まれます。2) および二セレン化タングステン (WSe2)。これらの化合物を 3 原子の厚さの半導体に加工すると、原理的には、シリコンの性能上の問題を回避しながら、より小型でエネルギー効率の高いトランジスタを製造できる可能性があります。
ワン氏のチームは、これらの有望な材料を実用的なデバイスに使用する方法に焦点を当ててきました。
未加工のノーカットのブルー サファイア。サファイアは、優れた電気絶縁体であり、剛性があり、良好な熱伝導体であるため、次世代トランジスタ用の 2D 材料を成長させるための有望なベース材料となっています。
クレジット: Shutterstock
課題の 1 つは接触抵抗です。異なる電気特性を持つ材料が物理的に接合されるたびに発生する接触抵抗は、電流の流れを妨げ、トランジスタの性能を低下させます。シリコンとは異なり、TMD は金属電極と接触するときに化学結合を形成しないため、電流の伝達が困難になり、接触抵抗が増加します。
「これに取り組むために、私の生徒たちは素晴らしいアイデアを思いつきました」とワン氏は言います。彼らは、金属電極に半金属アンチモンの異常な相を含めることによって、TMD と金属の間の電気的相互作用を変化させることができることを示しました。これにより、バンド ハイブリダイゼーションとして知られる特性が強化され、2 つの異なる導電性材料の互換性が向上しました。
バンドのハイブリダイゼーションの増加により、接触抵抗が劇的に低下しました。 「接触抵抗は、シリコンの化学結合接触よりも低いため、非常に注目に値します」とワン氏は言います。調査結果は自然この方法で構築された TMD トランジスタは、適度なソース-ドレイン電圧で大電流を供給できます。これは、エレクトロニクスの世界的な業界標準を開発している電気電子学会 (IEEE) が定めた「ビヨンドシリコン」のロードマップ目標を満たす性能です。
サファイアでできた建物
南京大学のワン氏の研究室での研究は、TMD トランジスタの使用に対する別の技術的課題に対処しました。ほとんどの専門家は、TMD の 2 層を組み合わせることでより良い結果が得られ、TMD がシリコンを上回る性能を発揮できると考えています。しかし、これらの多層システムは、制御された方法で準備することが困難です。
「これまでのデモンストレーションは主に層ごとの成長に基づいていましたが、層の厚さを正確に制御するための明確なメカニズムが欠けていました。」とワン氏は言います。
この問題に対処するために、彼のチームは宝石のサファイアに注目しました。彼らは、サファイアの優れた電気絶縁性、剛性、優れた熱伝導性という珍しい特性の組み合わせにより、サファイアがより均一な厚さの TMD 層を構築するための有用な基材となる可能性があると考えました。
実験では、サファイアを使用すると二硫化モリブデン (MoS) の二重層の連続的かつ均一な膜の成長が可能であることを示しました。2)。 「これはこれまでに達成されたことがありません」とワン氏は言います。チームは調査結果を自然2022年に。
これは有望な前進ですが、ワン氏は 2011 年からこの技術の開発に取り組んでおり、実験室のプロトタイプから本格的な製造への移行が必ずしも容易ではないことを知っています。それでも、彼は南京チームがさらに重要な貢献をするのに適した立場にあると信じている。
「現時点では、私たちは 2D 半導体の分野で材料、デバイス、統合、装置のチェーン全体をカバーできる、世界中で数少ないチームの 1 つです」とワン氏は言います。 「私たちがあらゆる方向で素晴らしい研究を行っていることを誇りに思います。」
将来の見通し
ワン氏は、この種の技術がいつ現実世界に応用されるかについて、日付を明らかにする準備ができていない。しかし、「問題のほとんどは科学的というよりも技術的なものである」ため、彼は楽観的です。
この分野における重要な次のステップは、高品質の TMD 材料を十分な量で製造するための信頼性が高く、コスト効率の高いプロセスを開発することです。これは、砂からほぼ完璧な精度で製造できるシリコン チップと競争するには非常に重要です。
これまでの進歩の多くは、王氏のような学術研究機関から得られたものですが、次のステップに進むには、産業界が関与する必要があります。それが起こり始めている、と彼は言う。 「TSMC、インテル、IMEC、サムスンを含む多くの業界リーダーが党に参加していることをとても嬉しく思います」とワン氏は言う。 「私は、いつか 2D マテリアルがコンピューター チップの一部になるだろうと楽観的に思っています。」
参考資料
リー、W他。自然 613、274–279、(2023)。 DOI 101038/s41586-022-05431-4
リュー、L他。自然 605、69–75、(2022)。 DOI: 101038/s41586-022-04523-5
出典: 科学技術局
