V oblasti polovodičové fyziky a elektroniky jsou elektrické kontakty a doping základními pojmy. Tyto principy získávají nový rozměr díky specifickým elektrickým vlastnostem 2D polovodičových materiálů, jako je grafen, TMDCs (transition metal dichalcogenides) a další atomárně tenké materiály. Účinné elektrické připojení a pečlivé řízení úrovně dopingu jsou nezbytné pro vytváření vysoce výkonných elektronických a optoelektronických zařízení, které na těchto materiálech staví. Elektrický kontakt má zásadní vliv na celkový výkon zařízení postaveného na 2D polovodičích.

Efektivní injekce a extrakce nosičů náboje vyžaduje nízkonapěťové, ohmické kontakty. Grafen je jedním z materiálů, který může být použit k vytvoření čistě 2D obvodů. Vzhledem k tomu, že 2D materiály jsou atomárně tenké, představují problémy jako difúze kovů do těchto materiálů, což činí vytváření stabilních a nízkoohmických připojení výzvou. Výzkumníci pracují na vývoji kontaktních materiálů a metod depozice, které zachovají stabilní elektrické spojení, aniž by došlo k poškození inherentních vlastností 2D materiálů. Používání materiálů, které pevně přilnou k 2D materiálům, nebo použití bariérových vrstev, jsou dvě možné strategie k zastavení difúze kovů.

Doping je klíčový pro přizpůsobení vodivosti materiálu a koncentrace nosičů pro různé aplikace. Doping výrazně ovlivňuje elektrické a optoelektronické vlastnosti 2D polovodičů kvůli jejich extrémní tenkosti a vysokému poměru povrchu k objemu. Aby se zabránilo tomu, že přidané dopanty zhorší strukturální a elektrické vlastnosti materiálu, musí být proces dopingu v 2D materiálech pečlivě řízen. Nadměrný doping může způsobit snížení mobility, neuniformní distribuci nosičů náboje a další nežádoucí účinky. Výzkumníci často experimentují s různými dopanty a technikami dopování, aby získali přesnou kontrolu nad výslednými elektrickými vlastnostmi.

Kontaktní odpor 2D polovodičových materiálů vzniká z několika faktorů, včetně elektrických vlastností 2D materiálu, složení kovu použitých pro kontakt a efektivity rozhraní mezi oběma materiály. Výběr vhodného kovu pro kontakt může výrazně snížit kontaktní odpor mezi polovodičem a kovem. Atomárně tenká struktura 2D polovodičů, jako je grafen nebo TMDCs, může ale ztížit vytváření nízkonapěťových elektrických spojení. Zařízení vyrobená z těchto materiálů, včetně tranzistorů nebo senzorů, mohou vykazovat nižší celkovou účinnost kvůli kontaktnímu odporu. Vysoký kontaktní odpor může zpomalit zařízení a zvýšit spotřebu energie, což vede k neefektivnímu vstupu a výstupu nosičů náboje.

Studium fázových změn v kontaktech v rámci 2D polovodičů je dalším směrem výzkumu, který má za cíl zlepšit elektrické spojení mezi 2D materiály a kovy. Různými metodami, jako je precizní depozice ultračistých kovových kontaktů, doping, indukce fázových změn lithiačními procesy, zavedení izolačních vrstev mezi kov a polovodič (známých jako MIS) a inženýrství pracovní funkce, byly dosahovány významné zlepšení kontaktního odporu. Nicméně dosažení optimálního kontaktního odporu, zejména pro monovrstvé (1L) 2D materiály, je stále velkou výzvou, a to i s hodnotami převyšujícími řád.

Důležitou součástí zlepšení kontaktního odporu je pochopení přenosu nosičů náboje z kovu do 2D materiálů. Fázové změny materiálů byly studovány pro jejich potenciál v aplikacích pro ukládání a konverzi energie, kde vlastnosti rozhraní a kontakty mezi kovem a polovodičem hrají klíčovou roli. Schopnost 2D materiálů přecházet mezi různými krystalovými strukturami, přičemž každá struktura vykazuje unikátní vlastnosti, je pozoruhodná.

Dalším směrem výzkumu je vylepšení elektrických kontaktů mezi mřížkovými elektrodami a 2D polovodiči prostřednictvím kontroly napětí mřížky. Tento výzkum se zaměřuje na zkoumání interakce mezi mřížkou a 2D materiálem, s důrazem na vnější a vnitřní faktory, které ovlivňují toto spojení. Snahou je zlepšit elektrické kontakty tak, aby byly co nejefektivnější. Největší překážkou v rozšíření 2D tranzistorů na bázi pole (FET) je odpor, který vzniká na kontaktním bodě, což představuje značnou výzvu. V překonání tohoto odporu spočívá klíč k dosažení vysoce výkonných zařízení.

Tunnelingové kontakty jsou specializované elektrické kontakty, které se využívají v 2D polovodičích a spoléhají na kvantové tunelování pro transport nosičů mezi elektrodou a 2D materiálem. Kvantové tunelování umožňuje částicím překonat neprostupnou potenciálovou bariéru, a to bez využití tepelné energie. Zájem o tunnelingové kontakty vzrostl jako řešení problému kontaktního odporu a pro efektivní injekci a extrakci nosičů v 2D materiálech. U ultratenkých materiálů, jako jsou 2D polovodiče, může energetická bariéra na rozhraní kov-polovodič způsobit nadměrný kontaktní odpor a neefektivní přenos nosičů v běžných připojeních. Použití efektů kvantového tunelování poskytuje řešení tím, že umožňuje nosičům „tunelovat“ skrze bariéru.

Navrhování a výroba součástek, jako jsou tranzistory a propojení pro vytváření funkčních obvodů, je nezbytné pro tvorbu logických integrovaných obvodů (ICs) využívajících 2D polovodiče. 2D materiály, jako grafen a TMDCs, mají širokou škálu využití při výrobě tranzistorů, včetně FET a TFET (tunnel FET). Pro vytváření funkčních logických obvodů je nutné kombinovat mnoho tranzistorů. Výhodou 2D materiálů je jejich atomární tenkost, která umožňuje kompaktní a hustě zabalené obvody. Poté, co jsou tranzistory vytvořeny a integrovány, je nutné použít simulační nástroje k návrhu a simulaci logického obvodu.

Jaké výzvy a problémy přináší implementace 2D polovodičových materiálů v čipech?

2D polovodičové materiály (2D SCMs) představují perspektivní technologii pro budoucnost čipů s procesem menším než 1 nm. Díky své atomární tloušťce a robustním elektrickým vlastnostem se považují za ideální kandidáty pro nové generace čipů. Avšak i přes jejich nesporný potenciál je implementace těchto materiálů do reálné výroby čipů provázena několika výzvami, které se týkají jak jejich pěstování, tak jejich integrace do elektronických obvodů.

Výzvy spojené s růstem a integrací 2D polovodičů do čipů

Jedním z hlavních problémů je škálovatelnost růstu 2D SCM monovrstvých materiálů na úrovni celých waferů. Zatímco u malých vzorků je možné dosáhnout kvalitního růstu, aplikace na waferové úrovni, což je nezbytné pro masovou výrobu čipů, stále čelí problémům. Různé metody růstu, jako je CVD nebo MOCVD, vyžadují vysoké teploty nad 600 °C, což není kompatibilní s procesy výroby čipů, které jsou omezeny teplotami do 450 °C, jinak by mohlo dojít k degradaci substrátů a dalších materiálů. Proto je v současnosti často využívána technika přenosu monovrstvy nebo heterostruktur na wafer, což ovšem přináší nové problémy s precizním umístěním a orientací vrstev.

Dalším technickým problémem je přesná kontrola nad růstem 2D monovrstvových materiálů. Lattice mismatch a citlivost na vnější znečištění, jako je kyslík a vlhkost, ztěžují dosažení požadované uniformity na substrátu, což vyžaduje extrémně nákladné vybavení, jako jsou ultra-vakuové komory, které nejsou praktické pro masovou výrobu. Rovněž, pokud jde o stabilitu těchto materiálů, jejich vystavení vzduchu a vlhkosti vede k degradaci, což vyžaduje pečlivé řešení v podobě vhodné kapsulace nebo pasivačních vrstev, aby byla zajištěna dlouhodobá stabilita.

Výzvou při integraci 2D SCMs do čipů je také problém s defekty na rozhraní mezi materiály. Lattice mismatch mezi substrátem a 2D materiálem může vést k vzniku defektů, což negativně ovlivňuje elektronickou mobilitu a výkon tranzistorů. V některých případech může pomoci náhrada kovových kontaktů materiály jako je grafen, který má lepší mřížkovou shodu a nižší hodnotu bariéry Schottkyho rozhraní (SB).

Výzvy spojené s výkonem tranzistorů a elektronických zařízení

I když 2D polovodiče nabízí potenciál pro vysoce výkonné tranzistory, jejich aplikace je omezena několika klíčovými výzvami. První z nich je velký odpor kontaktu, což je důsledkem vysoké Schottkyho bariéry mezi kovem a polovodičem. To negativně ovlivňuje výkon tranzistorů, zejména pokud jde o typy tranzistorů jako FET, kde je potřeba co nejnižší kontakt. Problematické jsou i různé druhy gap-state pinning efektů, které vznikají na rozhraní mezi kovem a polovodičem, což může vést k neoptimálnímu zarovnání pásu a zvýšení hodnoty Schottkyho bariéry.

Další výzvou, která se týká tranzistorů na bázi 2D SCM, je krátký kanál v tranzistorech. Vzhledem k extrémně tenkému kanálu 2D materiálů může vzniknout krátkocestný efekt (SCE), kdy délka kanálu je srovnatelná s šířkou vybití mezi zdrojem a odporem. To vede k horší schopnosti tranzistoru vypnout, což si vyžaduje použití izolační vrstvy tenčí než 1 nm, například 2D vrstvy h-BN.

Dalším problémem je termální management. S rostoucí hustotou integrace tranzistorů se zvyšuje i výskyt problémů s odvodem tepla, což je při miniaturizaci čipů limitováno. K tomu je nezbytné vyvinout nové metody chlazení, jako jsou mikrofluidní kanály nebo materiálové vrstvy, které zvyšují povrch pro přenos tepla.

V oblasti kontaktních materiálů se ukázalo, že použití metalických materiálů s nízkou pracovní funkcí, jako je hliník, vede k velkým hodnotám Schottkyho bariéry pro díry, což negativně ovlivňuje výkon. Alternativně, grafen jako polokovový materiál s laditelnou pracovní funkcí se ukázal jako slibná volba pro zajištění nízkého odporu kontaktu. Také použití nových materiálů, jako je bismut, pro kontakty mezi kovem a 2D polovodičem může přispět k výraznému snížení kontaktového odporu.

Při vývoji 2D polovodičových tranzistorů je nezbytné se zaměřit nejen na materiálové a strukturální aspekty, ale také na jejich dlouhodobou spolehlivost a stabilitu při reálných podmínkách. Tato technologie tedy vyžaduje rozsáhlý výzkum a vývoj nových metod pro efektivní integraci těchto materiálů do masové výroby čipů, přičemž se musí řešit nejen technické, ale i ekonomické a ekologické výzvy spojené s výrobou a použitím 2D SCMs.

Jak vytvořit mechaniku pro pohyblivé oči: Krok za krokem
Jak lze chápat nekonečno: Ordinalní a kardinální čísla v teorii množin
Jaká je hodnota času a co opravdu motivuje lidi?