Halfgeleiderbedrijven worstelen om apparaten te ontwikkelen die slechts nanometer groot zijn, en een groot deel van de uitdaging ligt in het nauwkeuriger kunnen beschrijven van de onderliggende fysica op die nanoschaal. Maar een nieuwe computationele benadering die al tien jaar in de maak is, zou deze barrières kunnen doorbreken.

Apparaten die halfgeleiders gebruiken, van computers tot zonnecellen, hebben de afgelopen decennia enorme efficiëntieverbeteringen doorgemaakt. beroemd, een van de medeoprichters van Intel, Gordon Moore, merkte op dat het aantal transistors in een geïntegreerde schakeling ongeveer elke twee jaar verdubbelt - en deze 'wet van Moore' hield enige tijd stand.

In recente jaren, echter, dergelijke winsten zijn vertraagd omdat bedrijven die proberen transistors op nanoschaal te ontwikkelen, de limieten van miniaturisatie op atomair niveau bereikten.

Onderzoekers van de School of Electrical Engineering van KAIST hebben een nieuwe benadering ontwikkeld voor de onderliggende fysica van halfgeleiders.

"Met open kwantumsystemen als het belangrijkste onderzoeksdoel van ons laboratorium, we gingen terug naar concepten die als vanzelfsprekend werden beschouwd en die zelfs voorkomen in standaard halfgeleiderfysica-handboeken, zoals de spanningsval in werkende halfgeleiderapparaten, "zei de hoofdonderzoeker professor Yong-Hoon Kim. "Vragen hoe al deze concepten kunnen worden begrepen en mogelijk herzien op nanoschaal, het was duidelijk dat er iets onvolledig was aan ons huidige begrip."

"En terwijl de halfgeleiderchips worden verkleind tot het atomaire niveau, het bedenken van een betere theorie om halfgeleiderapparaten te beschrijven is een dringende taak geworden."

Het huidige begrip stelt dat halfgeleiders materialen zijn die fungeren als tussenwoningen tussen geleiders, zoals koper of staal, en isolatoren, zoals rubber of piepschuim. Ze geleiden soms elektriciteit, maar niet altijd. Dit maakt ze een geweldig materiaal voor het opzettelijk regelen van de stroomstroom, wat op zijn beurt handig is voor het bouwen van de eenvoudige aan/uit-schakelaars - transistors - die de basis vormen van geheugen en logische apparaten in computers.

Om een ​​halfgeleider 'aan' te zetten, een stroom- of lichtbron wordt toegepast, het opwekken van een elektron in een atoom om te springen van wat een 'valentieband' wordt genoemd, ' die gevuld is met elektronen, tot aan de 'geleidingsband, ' die oorspronkelijk ongevuld of slechts gedeeltelijk gevuld is met elektronen. Elektronen die dankzij externe stimuli naar de geleidingsband zijn gesprongen en de resterende 'gaten' kunnen nu bewegen en fungeren als ladingsdragers om elektrische stroom te laten stromen.

Het fysische concept dat de populaties van de elektronen in de geleidingsband en de gaten in de valentieband beschrijft en de energie die nodig is om deze sprong te maken, is geformuleerd in termen van het zogenaamde 'Fermi-niveau'. Bijvoorbeeld, je moet de Fermi-niveaus van de elektronen en gaten kennen om te weten hoeveel energie je uit een zonnecel gaat halen, inclusief verliezen.

Maar het Fermi-niveauconcept is alleen duidelijk gedefinieerd zolang een halfgeleiderapparaat in evenwicht is - op een plank zit en niets doet - en het hele punt van halfgeleiderapparaten is om ze niet op de plank te laten liggen.

Zo'n 70 jaar geleden, William Schockley, de Nobelprijswinnende mede-uitvinder van de transistor bij Bell Labs, kwam met een beetje een theoretische fudge, het 'quasi-Fermi-niveau, ' of QFL, waardoor ruwe voorspelling en meting van de interactie tussen valentiebandgaten en geleidingsbandelektronen mogelijk is, en dit heeft tot nu toe redelijk goed gewerkt.

"Maar als je werkt op de schaal van slechts enkele nanometers, de methoden om de splitsing van QFL's theoretisch te berekenen of experimenteel te meten waren gewoon niet beschikbaar, ’ zei professor Kim.

Dit betekent dat op deze schaal, problemen zoals fouten met betrekking tot spanningsdaling krijgen een veel grotere betekenis.

Het team van Kim werkte bijna tien jaar aan de ontwikkeling van een nieuwe theoretische beschrijving van kwantumelektronentransport op nanoschaal die de standaardmethode kan vervangen - en de software waarmee ze deze kunnen gebruiken. Dit omvatte de verdere ontwikkeling van een beetje wiskunde, bekend als de Density Functional Theory, die de vergelijkingen vereenvoudigt die de interacties van elektronen beschrijven, en die zeer nuttig is geweest op andere gebieden, zoals de ontdekking van high-throughput computationele materialen.

Voor de eerste keer, ze konden de QFL-splitsing berekenen, biedt een nieuw begrip van de relatie tussen spanningsval en kwantumelektronentransport in apparaten op atomaire schaal.

Naast het onderzoeken van verschillende interessante niet-evenwichtsquantumfenomenen met hun nieuwe methodologie, het team ontwikkelt hun software nu verder tot een computerondersteund ontwerptool dat door halfgeleiderbedrijven kan worden gebruikt voor het ontwikkelen en fabriceren van geavanceerde halfgeleiderapparaten.