Simulering af elektroniske nanokomponenter til udviklings- og produktionsprocessen

Elektroniske komponenter er ofte kun få nanometer store. Ifølge Moores lov, en transistor halveres i størrelse hvert andet år, for eksempel, hvilket er den eneste mulighed for at placere to milliarder transistorer i et nanoformat på en Smartphone-chip. De små enheder sikrer, at smartphonen kan følge med de konstant skiftende krav – at være telefon og kamera, samt et kvalitetsvideokamera, søgemaskine, personlig sundhedsmonitor og entertainer. Og ved at gøre det, komponenterne skal fungere energieffektivt og være producerbare til lave omkostninger.

Jo mindre elektroniske komponenter bliver, imidlertid, jo sværere er de at fremstille. Til sammenligning:et rødt blodlegeme er 7, 000 nanometer i diameter, et menneskehår 80, 000. Følgelig at fremstille en transistor, der er 20 nanometer stor og mindre, ud fra halvledere som grundstoffet silicium er ikke kun en teknisk udfordring. Fysiske effekter, såkaldte kvantemekaniske mønstre, ændre materialernes egenskaber på nanometerskala, hvilket komplicerer livet for designere og ingeniører i udvikling og konstruktion af nanoenheder. ETH-Zürich professor Mathieu Luisier fra Integrated Systems Laboratory er nu kommet til undsætning.

Computer forudsigelser

Luisier har brugt over ti år på at finpudse et softwareprogram, der simulerer fremtidens transistorer, som kun er få nanometer store. Han er støttet af CSCS supercomputeren "Piz Daint", som hjælper med at forudsige, hvad der sker, når sammensætningen, form og størrelse af materialer ændrer sig i nanoverdenen. Hvad Luisier angår, "Piz Daint" er i øjeblikket den bedste og mest effektive simuleringsmaskine i jagten på nye, ideelle materialekombinationer. ETH-Zürich-professorens arbejde er blevet mødt med stor interesse for industrien, da simuleringerne sparer tid til eksperimenter og omkostninger ved udvikling af nye, effektive elektroniske komponenter.

Et problem, når milliarder af konventionelle transistorer er placeret på én chip, er, at de genererer en enorm mængde varme og let overophedes. Det skyldes, at elektronerne frigiver energi på deres vej gennem transistoren. Luisier og hans team bruger deres software OMEN – en såkaldt kvantesimulator – til at simulere elektrontransporten på atomniveau for at studere præcis, hvad der sker. Den simulerede transistor består af en nanotråd lavet af siliciumkrystaller. "Når elektronerne strømmer gennem ledningen, de har i begyndelsen en konstant, høj mængde energi, som gradvist aftager og absorberes af siliciumets krystalgitter i form af såkaldte fononer, " forklarer Luisier. Samspillet mellem elektronerne og fononerne opvarmer krystallen, og den samlede energi forbliver intakt – bevis for forskerne på, at deres model gengiver processen korrekt. Målet er nu at konstruere transistoren baseret på resultaterne opnået via simuleringerne i sådan, at elektronerne mister så lidt energi som muligt undervejs.

Leger med krystaller

På den ene side, forskerne er i stand til at "lege" med rækkefølgen af ​​forskellige krystalniveauer i krystallen og ændre krystalstrukturen eller erstatte silicium med et andet halvledermateriale i deres simuleringer. På den anden side, de kan kontrollere funktionaliteterne og forskellige egenskaber af de simulerede krystaller. For eksempel, forskerne simulerede en nanotråd, hvor kanalen er indkapslet i et oxid og en metallisk kontakt (gate). De fononer, der udsendes af elektronerne, "fanges" effektivt i kanalen og kan kun forlade strukturen på bestemte punkter - begyndelsen og slutningen af ​​nanotråden. "Hvis man udskifter skallen rundt om ledningen med en struktur, der ligner bogstavet omega, giver det et større område for fononerne at flygte fra, " siger Luisier. Hvis området også er direkte i kontakt med et kølesegment, transistoren opvarmes i mindre grad. Halvlederne ville også generere mindre varme, hvis de var konstrueret af materialer som indium galliumarsenid eller germanium, fordi disse materialer gør det muligt for elektronerne at bevæge sig hurtigere igennem. Imidlertid, de er meget dyrere end silicium.

Under simuleringerne, forskerne producerer strukturerne designet atom for atom. Ligesom i den konventionelle såkaldte "ab initio" metode, som bruges intensivt til at analysere materialers egenskaber, Schrödinger-ligningen er også løst i simuleringerne udført af Luisiers team. Dette sætter dem i stand til at studere, hvordan elektroner og fononer interagerer.

Imidlertid, der er to hovedforskelle:mens ab initio -metoden løser elektronernes bølgebevægelse i et lukket eller periodisk gentaget system, Luisiers gruppe supplerer metoden med åbne randbetingelser, som gør det muligt at simulere transport. Forskerne kan derefter observere både elektronstrømmene og de termiske strømme, og beskrive sammenhængen med omgivelserne, elektronstrømmens samspil med de termiske strømme. En anden forskel er, at beregningerne med OMEN i dag udføres ud fra empiriske modeller, da de stadig er for komplekse og mere computertunge "ab initio".

Højtydende databehandling

Imidlertid, nye algoritmer udvikles i et PASC-samarbejde med forskere fra Università della Svizzera italiana og EPF Lausanne for at gøre beregningerne mere effektive. "På mellemlang sigt vi ønsker at erstatte alle empiriske modeller med ab initio modeller, så vi nemmere og mere præcist kan beregne strukturer lavet af forskellige materialer. " siger Luisier. "Det er derfor, vi har brug for optimerede algoritmer og maskiner som Piz Daint."

Ikke desto mindre, Luisier understreger, at efter hans bedste viden, hans teams empiriske tilgang er mere avanceret end nogensinde før i udviklingen af ​​elektroniske nanokomponenter. Et andet af hans gruppes forskningsfokus er simulering af lithium-ion-batterier. "Hvis vi forstår varmeudviklingen i transistorer eller batterier mere præcist, vi vil være i stand til at foreslå bedre designs, "siger Luisier." OMEN er en komponentsimulator af den nye generation, hvor ingeniører bruger begreber, der aldrig har været brugt før i materialevidenskab, kemi eller fysik."