Atominohuiden puolijohteiden transistorikanavia voidaan kaventaa erittäin pieniksi ilman, että suorituskyky romahtaa. Chalmersin ja Stanfordin tutkijat ovat valmistaneet 2D-transistoreita, joiden kanavan leveys on vain 25 nanometriä.
Kaksiulotteisia puolijohteita pidetään yhtenä lupaavimmista vaihtoehdoista, kun piitransistorien skaalaaminen käy yhä vaikeammaksi. Vain muutaman atomin paksuisissa materiaaleissa sähkövirtaa voidaan hallita tehokkaasti myös hyvin pienissä rakenteissa.
Yksi avoimista kysymyksistä on kuitenkin ollut transistorikanavan leveys. Kun kanavaa kavennetaan, sen reunojen merkitys kasvaa. Etsauksessa syntyvien reunadefektien on pelätty heikentävän transistorin sähköisiä ominaisuuksia niin paljon, että 2D-transistorien skaalaaminen käytännön mikropiireihin vaikeutuisi.
Nature Nanotechnology -lehdessä julkaistussa tutkimuksessa Stanfordin yliopiston ja Chalmersin teknillisen korkeakoulun tutkijat osoittivat, että ongelma näyttää ainakin 25 nanometrin kanavanleveyteen asti oletettua pienemmältä. Erittäin kapeat transistorit toimivat yhtä hyvin kuin huomattavasti leveämmät 2D-transistorit.
– Erityisen rohkaisevaa ja meille itse asiassa yllättävää oli, että transistorit toimivat edelleen hyvin, vaikka kanavat tehtiin äärimmäisen kapeiksi, sanoo tutkimuksen pääkirjoittajiin kuuluva Chalmersin apulaisprofessori Anton Persson.
Tutkijat valmistivat transistorit kolmesta atominohuesta 2D-puolijohteesta: molybdeenidisulfidista (MoS2), volframidisulfidista (WS2) ja volframidiselenidistä (WSe2). Kaikilla kolmella materiaalilla transistorit pystyttiin edelleen kytkemään luotettavasti päälle ja pois.
Erityisen hyvin pärjäsi WS2. Sen transistorien virrantiheys oli yli satakertainen verrattuna aiemmin raportoituihin samantyyppisiin 2D-transistoreihin. Tutkijoiden mukaan parannus perustui materiaalin parempaan laatuun ja kehittyneempiin kontakteihin.
Valmistusta varten tutkijat kehittivät niin sanotun dog-bone-rakenteen. Siinä varsinainen transistorikanava kavennetaan hyvin pieneksi, mutta atominohut materiaali jätetään metallikontaktien alla leveämmäksi. Näin herkkä materiaali pysyy paikallaan valmistusprosessin aikana. Kaksivaiheisen kuviointi- ja etsausprosessin avulla kanavan leveys saatiin lopulta 25 nanometriin.
