Прорыв в 2D-чипах: новая формула для сверхминиатюрных устройств

Команда ученых из Национального института науки и технологий Ульсана (UNIST) достигла значительного прогресса в решении одной из ключевых проблем, препятствующих коммерциализации двумерных (2D) полупроводниковых материалов – контактного сопротивления. Их новаторские исследования, опубликованные в журнале ACS Nano, проливают свет на давнее расхождение между теоретическими моделями и экспериментальными данными, касающимися энергетических барьеров, которые затрудняют поток электронов на контактных интерфейсах. Это открывает путь к более точным прогнозам производительности и ускорению разработки сверхминиатюрных 2D-полупроводниковых чипов.

Понимание проблемы контактного сопротивления

Коллектив под руководством профессоров Чанвук Чонга и Сон-Йонг Квона из Высшей школы инженерии полупроводниковых материалов и устройств UNIST выявил первопричину несоответствия между существующими теоретическими моделями и экспериментальными результатами. Проблема заключается в энергетических барьерах, формирующихся на интерфейсе между 2D-полупроводниками и полуметаллическими материалами, известными как бищелочные металлы. Ученые также предложили новую предсказательную формулу, которая более точно отражает сложную физику, действующую на этих интерфейсах.

В условиях, когда полупроводниковая промышленность стремится к созданию чипов с размерами элементов менее десяти нанометров, 2D-материалы привлекают все большее внимание как перспективные альтернативы кремнию благодаря своей атомной толщине и исключительным электронным свойствам. Однако интеграция этих материалов с традиционными металлическими электродами часто приводит к высокому контактному сопротивлению. Это связано в первую очередь с барьером Шоттки – потенциальным энергетическим препятствием, которое электроны должны преодолеть при переходе от металла к полупроводнику.

Новые открытия и предсказательные модели

Хотя бищелочные металлы экспериментально считаются многообещающими кандидатами для снижения этих барьеров, их надежность ставилась под сомнение. Традиционные теоретические расчеты, как правило, предсказывают более высокие энергетические барьеры, чем наблюдается на практике, что создает неопределенность относительно их практической применимости. Исследование показало, что это несоответствие возникает из-за явления, называемого «расширением зоны проводимости» в дисульфиде молибдена (MoS₂), представительном 2D-полупроводнике. Когда металлический контакт приближается к полупроводнику под определенными углами, пути проводимости в материале расширяются, эффективно снижая энергетический барьер и облегчая движение электронов через интерфейс.

Основываясь на этом открытии, команда разработала улучшенную предсказательную формулу, которая учитывает как эффект расширения зоны проводимости, так и часто упускаемый из виду сдвиг уровня вакуума – незначительный, но влиятельный фактор, способный существенно повлиять на высоту барьера в ультратонких 2D-материалах. Эта пересмотренная модель успешно воспроизводит экспериментальные результаты, которые ранее не поддавались объяснению традиционными подходами, такими как правило Шоттки-Мотта, тем самым предоставляя более надежную теоретическую основу для физики интерфейсов в 2D-наноэлектронике.

Значение для будущих полупроводниковых технологий

Профессор Чонг отметил: «Наши результаты фундаментально проясняют механизмы формирования энергетических барьеров на интерфейсах 2D-полупроводников и полуметаллов, которые традиционные теории не могли объяснить. Установив более точную и всеобъемлющую модель, мы сможем более эффективно определять оптимальные комбинации материалов и архитектуры устройств, что в конечном итоге ускорит разработку полупроводниковых технологий следующего поколения».