Ein winziger, unsichtbarer Spalt könnte viele zweidimensionale Materialien daran hindern, zukünftige Chips zu betreiben

Forscher der TU Wien sagen, dass eine lange übersehene nanoskalige Lücke zwischen ultradünnen 2D-Materialien und isolierenden Schichten viele vielversprechende Chipmaterialien daran hindern könnte, die von der Halbleiter Forscher der TU Wien sagen, dass eine lange übersehene nanoskalige Lücke zwischen ultradünnen 2D-Materialien und isolierenden Schichten viele vielversprechende Chipmaterialien daran hindern könnte, die von der Halbleiterindustrie erwarteten Miniaturisierungsgewinne zu erzielen.

Das Team fand heraus, dass mehrere 2D-Materialien, die wegen ihrer elektronischen Eigenschaften gelobt werden, ungeeignet werden könnten, sobald sie in reale Bauteile integriert werden. Das Problem liegt nicht am Material selbst, sondern daran, wie es mit der isolierenden Oxidschicht interagiert, die in einem Transistor erforderlich ist.

2D-Materialien wie Graphen und Molybdändisulfid wurden als Kandidaten für zukünftige Chips angesehen, weil sie nur ein oder wenige atomare Schichten dick sind. Das macht sie attraktiv für den Bau kleinerer und energieeffizienterer Elektronik.

Aber Forscher der TU Wien sagen,

Aber Forscher der TU Wien sagen, dass Entwickler von Bauteilen diese Materialien nicht isoliert beurteilen können. Wenn sie mit Isolatoren kombiniert werden, bilden viele Kombinationen eine unvermeidliche mikroskopische Trennung, die die elektrische Steuerung schwächt.

Das Problem der Lücke: „Seit vielen Jahren faszinieren Forscher mit Recht die bemerkenswerten elektronischen Eigenschaften neuartiger 2D-Materialien wie Graphen oder Molybdändisulfid“, sagte Prof. Mahdi Pourfath.

„Was jedoch oft übersehen wird, ist, dass ein 2D-Material allein kein elektronisches Bauteil darstellt. Wir benötigen auch eine isolierende Schicht – normalerweise ein Oxid.“ In einem Transistor schaltet das Gate-Elektrode einen Halbleiter zwischen leitendem und nicht leitendem Zustand.

Mögliche Anwendungen

Um dies effizient zu tun, muss das Gate durch eine isolierende Schicht getrennt sein, die so dünn wie möglich ist.

Die Forscher stellten jedoch fest, dass eine schwache Bindung zwischen vielen 2D-Materialien und Oxiden eine Lücke von etwa 0,14 Nanometern erzeugt.

„Obwohl winzig, reduziert es die kapazitive Kopplung zwischen den Schichten stark und begrenzt, wie effektiv das Gate das Bauteil steuern kann.“„In vielen Kombinationen von 2D-Materialien und Isolierschichten ist die Bindung zwischen ihnen relativ schwach“, sagte Prof. Tibor Grasser.

Mögliche Anwendungen

„Sie werden nur durch sogenannte van-der-Waals-Kräfte zusammengehalten.“ Das Team sagte, dass diese Lücke der wahre Engpass beim Schrumpfen zukünftiger Chips sein kann, unabhängig davon, wie stark die intrinsischen Eigenschaften des Materials in Labortests erscheinen.Bessere Materialien für die ZukunftDie Forscher skizzierten außerdem einen Weg nach vorne durch sogenannte „Zipper-Materialien“.

In diesen Strukturen verhaken sich Halbleiter und Isolator stärker miteinander, anstatt lose befestigt zu sein.Diese stärkere Bindung kann die problematische Lücke eliminieren und die elektrische Leistung wiederherstellen, die für die weitere Transistor-Skalierung erforderlich ist.“Wenn die Halbleiterindustrie mit 2D-Materialien erfolgreich sein will, müssen die aktive Schicht und die Isolierschicht von Anfang an gemeinsam konzipiert werden“, sagte Pourfath.„Unsere Arbeit ist eine gute Nachricht für die Halbleiterindustrie“, sagte Grasser.„Wir können vorhersagen, welche Materialien für zukünftige Miniaturisierungsschritte geeignet sind – und welche nicht.“Die Ergebnisse könnten Chipherstellern helfen, hohe Ausgaben für Materialsysteme zu vermeiden, die vor dem Erreichen der kommerziellen Produktion auf harte physikalische Grenzen stoßen.

Während die Halbleiterindustrie nach Nachfolgern für Silizium sucht, deutet die Studie darauf hin, dass der nächste Durchbruch weniger von einem einzigen Wunderwerkstoff und mehr von der Gestaltung der Grenzfläche zwischen mehreren Schichten abhängen könnte.Die Studie wurde im Journal Science veröffentlicht.