Les transistors sont les éléments constitutifs de l’électronique moderne, utilisés dans tout, des téléviseurs aux ordinateurs portables. À mesure que les transistors sont devenus plus petits et plus compacts, l'électronique aussi, c'est pourquoi votre téléphone portable est un ordinateur super puissant qui tient dans la paume de votre main.

Mais il y a un problème d'échelle : les transistors sont désormais si petits qu'ils sont difficiles à désactiver. Un élément clé du dispositif est le canal que traversent les porteurs de charge (tels que les électrons) entre les électrodes. Si ce canal devient trop court, effets quantiques permettre aux électrons de sauter efficacement d'un côté à l'autre même s'ils ne le devraient pas.

Une façon de surmonter cet obstacle de dimensionnement consiste à utiliser des couches de matériaux 2D, qui n'ont qu'un seul atome d'épaisseur, comme canal. Des canaux atomiquement minces peuvent aider à activer des transistors encore plus petits en rendant plus difficile le passage des électrons entre les électrodes. Un exemple bien connu de matériau 2D est le graphène, dont les découvreurs ont remporté le prix Nobel de physique en 2010. Mais il existe d'autres matériaux 2D, et beaucoup pensent qu'ils représentent l'avenir des transistors, avec la promesse de réduire l'épaisseur du canal par rapport à son épaisseur. limite 3D actuelle de quelques nanomètres (nm, milliardièmes de mètre) à moins d’un seul nanomètre d’épaisseur.

Bien que la recherche ait explosé dans ce domaine, un problème a été constamment négligé, selon une équipe de scientifiques du National Institute of Standards and Technology (NIST), de l'Université Purdue, de l'Université Duke et de l'Université d'État de Caroline du Nord. Les matériaux 2D et leurs interfaces, que les chercheurs souhaitent être plats lorsqu'ils sont empilés les uns sur les autres, ne le sont peut-être pas en fait. Ce manque de planéité peut à son tour affecter considérablement les performances de l'appareil, parfois dans le bon sens, parfois dans le mauvais sens.

Dans une nouvelle étude publiée dans le numéro du 26 avril 2022 de ACS Nano, l'équipe de recherche rapporte les résultats de leurs mesures de la planéité de ces interfaces dans des dispositifs à transistors intégrant des matériaux 2D. Ils sont le premier groupe à prendre des images microscopiques haute résolution montrant la planéité de ces couches 2D dans des matrices complètes de dispositifs, à une échelle relativement grande – environ 12 micromètres (millionièmes de mètre) par opposition aux 10 nm à 100 nm plus courants. plage nm.

Les scientifiques ont réussi à visualiser une série d’interfaces 2D-2D et 2D-3D dans des dispositifs qu’ils ont créés en utilisant diverses méthodes de fabrication courantes. Leurs résultats montrent que supposer que les interfaces sont plates alors qu’elles ne le sont pas est un problème bien plus important que ce que les chercheurs dans le domaine auraient pu imaginer.

« Nous sensibilisons la communauté à un problème qui a été négligé », a déclaré Curt Richter du NIST. «Cela freine l'adoption des nouveaux matériaux. La première étape pour résoudre le problème est de savoir que vous avez un problème.

Les avantages potentiels incluent le fait de donner à la communauté scientifique plus de contrôle sur la fabrication de ses appareils.

« Un manque de compréhension de la 2D interface la planéité est un obstacle majeur à l'amélioration des dispositifs basés sur des matériaux 2D », a déclaré l'auteur principal Zhihui Cheng, du NIST et de l'Université Purdue au moment de la publication. « Nous avons mis au point une méthode pour quantifier la planéité à une résolution de l'angström. Cela ouvre de nombreuses fenêtres permettant aux utilisateurs d’explorer les contraintes et les interactions au niveau des interfaces 2D.

Pas aussi plat que tu le penses

Dans un transistor traditionnel, une électrode source 3D libère des électrons à travers un canal 3D vers une électrode de drain 3D. Dans les transistors 2D, les électrons traversent un matériau 2D. Les zones où se rencontrent ces différents matériaux sont appelées interfaces.

Un manque de planéité au niveau de ces interfaces peut entraîner des problèmes de circulation du courant dans les appareils utilisant des matériaux 2D. Par exemple, s’il existe un contact physique intime entre le métal source et le canal 2D, il y aura également un contact électrique intime et le courant circulera sans problème. À l’inverse, les espaces entre le matériau du canal 2D et la source compromettent le contact électrique, ce qui réduit le flux de courant.

Dans leur article, les chercheurs explorent plusieurs types différents d'interfaces 2D, y compris celles réalisées entre les électrodes source et drain de nickel, un canal 2D constitué de bisulfure de molybdène cristallin 2D (MoS₂), une couche d'encapsulation de cristal de nitrure de bore hexagonal (hBN) et d'oxyde d'aluminium.

Les scientifiques superposent généralement les matériaux 2D et 3D pendant le processus de fabrication de l’appareil. Par exemple, les chercheurs empilent parfois des matériaux 2D sur des contacts métalliques pré-structurés. Mais l’équipe de recherche a découvert que ce type d’empilement de matériaux 2D avait un effet profond sur leur planéité, en particulier près de la région de contact. L'ajout de hBN a provoqué le MoS₂ se déformer jusqu'à 10 nm sur un côté du contact. Les zones les plus éloignées des contacts avaient tendance à être relativement plates, même si certaines de ces zones présentaient encore un écart de 2 à 3 nm.

En testant les effets du dépôt de couche atomique (une technique courante utilisée pour déposer une fine couche de matériau) sur la planéité de l'interface 2D, l'équipe de recherche a découvert qu'une interface directe entre l'oxyde d'aluminium et le MoS₂ est plus déformé que les interfaces entre hBN et MoS₂. En étudiant la planéité de l'interface de contact 3D-2D, l'équipe a découvert des nanocavités étonnamment grandes se formant à l'interface entre les contacts en nickel et le MoS 2D.₂ canal.

Pour relier ces interfaces non plates aux préoccupations du monde réel concernant les performances des appareils, l'équipe a testé les caractéristiques électriques d'un transistor fabriqué à partir de ces matériaux. Les chercheurs ont découvert que la non-planéité accrue du canal avait pour effet d'améliorer réellement les performances de l'appareil.

"Dans l'ensemble, ces résultats révèlent à quel point la structure des interfaces 2D-2D et 2D-3D dépend des matériaux ainsi que du processus de fabrication", a déclaré Cheng.

Pour effectuer ses observations, le groupe a utilisé un type de microscopie électronique à transmission et à balayage à haute résolution (TEM à balayage), capable de résoudre les images au niveau d'atomes uniques.

« Une grande partie de ce domaine relève de la recherche pure », a déclaré Richter. "Les gens fabriquent un appareil ou peut-être deux, et ils n'ont pas d'extras qu'ils peuvent donner à un microscopiste pour qu'il les démonte." Dans cette étude, en revanche, le but était de fabriquer les appareils puis de les analyser.

"Nous n'avons rien fait de très spécial avec les mesures", a poursuivi Richter. "Mais la combinaison du savoir-faire en matière de mesure électrique et de l'expertise TEM haute résolution n'est pas une chose courante."

"Avec la résolution inférieure à l'angström et la longueur d'enregistrement en TEM transversal, ainsi que la corrélation avec les caractéristiques des appareils, notre travail a élargi et approfondi les points de vue sur la complexité et l'intrication des interfaces 2D", a déclaré Cheng.

Avec des avantages pour tous

Les applications de ces travaux incluent la réduction des variations involontaires d'un appareil à l'autre, dont la planéité 2D est un facteur important, ont indiqué les chercheurs.

La méthode d’imagerie pourrait également, à terme, contribuer à donner aux scientifiques plus de contrôle sur la fabrication. Certains processus introduisent des contraintes mécaniques dans les structures 2D, les tordant comme un gant de toilette essoré ou les écrasant et les étirant comme un accordéon. Cela peut modifier les performances d’un appareil de manière imprévisible, que les scientifiques ne comprennent pas encore pleinement. Une meilleure compréhension de la façon dont la contrainte affecte les performances de l’appareil peut donner aux chercheurs plus de contrôle sur ces performances.

"La tension n'est pas toujours une mauvaise chose", a déclaré Richter. « Les transistors haut de gamme que l'on fabrique aujourd'hui ont en réalité une contrainte intégrée qui les rend plus efficaces. Avec la 2D matières premières. la manière de procéder n'est pas aussi évidente, mais il peut être possible d'utiliser la non-planéité pour créer la tension souhaitée.

Les auteurs espèrent que leurs travaux inspireront de nouveaux efforts visant à augmenter la résolution des mesures de planéité pour les interfaces 2D, même jusqu'à une résolution inférieure à l'angström.

"Nous disposons de quelques données préliminaires, mais ce n'est en réalité que le début de cette enquête", a déclaré Cheng.