Todimensionelle materialer til ultraskalerede felteffekttransistorer

Med den stigende miniaturisering af elektroniske komponenter, forskere kæmper med uønskede bivirkninger:I tilfælde af transistorer i nanometerskala fremstillet af konventionelle materialer som silicium, der opstår kvanteeffekter, der forringer deres funktionalitet. En af disse kvanteeffekter, for eksempel, er yderligere lækstrømme, dvs. strømme, der flyder "på afveje" og ikke via den tilvejebragte leder mellem source- og afløbskontakterne. Det menes derfor, at Moores skaleringslov, som siger, at antallet af integrerede kredsløb pr. arealenhed fordobles hver 12.-18. måned, vil nå sine grænser i den nærmeste fremtid på grund af de stigende udfordringer forbundet med miniaturisering af deres aktive komponenter. Dette betyder i sidste ende, at de i øjeblikket fremstillede siliciumbaserede transistorer - kaldet FinFET'er og udstyrer næsten enhver supercomputer - ikke længere kan gøres vilkårligt mindre på grund af kvanteeffekter.

Todimensionelle fyrtårne ​​af håb

Imidlertid, en ny undersøgelse foretaget af forskere ved ETH Zürich og EPF Lausanne viser, at dette problem kunne overvindes med nye todimensionelle (2-D) materialer - eller det er i det mindste, hvad de simuleringer, de har udført på supercomputeren "Piz Daint" antyder. .

Forskergruppen, ledet af Mathieu Luisier fra Institute for Integrated Systems (IIS) ved ETH Zürich og Nicola Marzari fra EPF Lausanne, brugte de forskningsresultater, som Marzari og hans team allerede havde opnået, som grundlag for deres nye simuleringer:Tilbage i 2018, 14 år efter opdagelsen af ​​grafen gjorde det først klart, at todimensionelle materialer kunne fremstilles, de brugte komplekse simuleringer på "Piz Daint" til at sigte gennem en pulje på mere end 100, 000 materialer; de udtog 1, 825 lovende komponenter, hvorfra 2-D lag af materiale kunne opnås.

Forskerne udvalgte 100 kandidater blandt disse mere end 1, 800 materialer, som hver især består af et monolag af atomer og kunne være egnet til konstruktion af ultra-skalerede felteffekttransistorer (FET'er). De har nu undersøgt deres egenskaber under "ab initio" mikroskopet. Med andre ord, de brugte CSCS-supercomputeren "Piz Daint" til først at bestemme atomstrukturen af ​​disse materialer ved hjælp af tæthedsfunktionel teori (DFT). De kombinerede derefter disse beregninger med en såkaldt Quantum Transport solver for at simulere elektron- og hulstrømmen gennem de virtuelt genererede transistorer. Den anvendte Quantum Transport Simulator er udviklet af Luisier sammen med et andet ETH-forskerhold, og den underliggende metode blev tildelt Gordon Bell-prisen i 2019.

At finde den optimale 2D-kandidat

Det afgørende for transistorens levedygtighed er, om strømmen kan styres optimalt af en eller flere gate-kontakt(er). Takket være den ultratynde natur af 2-D materialer - normalt tyndere end en nanometer - kan en enkelt gate-kontakt modulere strømmen af ​​elektroner og hulstrømme, dermed helt tænde og slukke for en transistor.

Struktur af en single-gate FET med en kanal lavet af et 2-D materiale. Arrangeret omkring det er et udvalg af 2-D materialer, der er blevet undersøgt. (Mathieu Luisier/ETH Zürich)

"Selvom alle 2D-materialer har denne egenskab, ikke alle af dem egner sig til logiske applikationer, Luisier understreger, "kun dem, der har et stort nok båndgab mellem valensbåndet og ledningsbåndet." Materialer med et passende båndgab forhindrer såkaldte tunneleffekter af elektronerne og dermed de lækstrømme, de forårsager. Det er netop disse materialer, som forskerne ledte efter i deres simuleringer.

Deres mål var at finde 2-D materialer, der kan levere en strøm på mere end 3 milliampere pr. mikrometer, både som n-type transistorer (elektrontransport) og som p-type transistorer (hultransport), og hvis kanallængde kan være så lille som 5 nanometer uden at forringe omskiftningsadfærden. "Kun når disse betingelser er opfyldt, kan transistorer baseret på todimensionelle materialer overgå konventionelle Si FinFET'er, " siger Luisier.

Bolden er nu på forsøgsforskernes bane

Under hensyntagen til disse aspekter, forskerne identificerede 13 mulige 2-D materialer, som fremtidige transistorer kunne bygges med, og som også kunne muliggøre fortsættelsen af ​​Moores skaleringslov. Nogle af disse materialer er allerede kendt, for eksempel sort fosfor eller HfS2, men Luisier understreger, at andre er helt nye - forbindelser som Ag2N6 eller O6Sb4.

"Vi har skabt en af ​​de største databaser af transistormaterialer takket være vores simuleringer. Med disse resultater, vi håber at motivere eksperimentalister, der arbejder med 2D-materialer, til at eksfoliere nye krystaller og skabe næste generations logiske switche, " siger ETH-professoren. Forskergrupperne ledet af Luisier og Marzari arbejder tæt sammen på National Center of Competence in Research (NCCR) MARVEL og har nu offentliggjort deres seneste fælles resultater i tidsskriftet ACS Nano . De er overbeviste om, at transistorer baseret på disse nye materialer kan erstatte dem, der er lavet af silicium eller af de i øjeblikket populære overgangsmetal dichalcogenider.