Met de toenemende miniaturisering van elektronische componenten, onderzoekers worstelen met ongewenste neveneffecten:in het geval van transistors op nanometerschaal gemaakt van conventionele materialen zoals silicium, er treden kwantumeffecten op die hun functionaliteit aantasten. Een van deze kwantumeffecten, bijvoorbeeld, is extra lekstromen, d.w.z. stromen die "dwalen" en niet via de geleider tussen de source- en draincontacten. Daarom wordt aangenomen dat de schalingswet van Moore, waarin staat dat het aantal geïntegreerde schakelingen per oppervlakte-eenheid elke 12-18 maanden verdubbelt, zal in de nabije toekomst zijn grenzen bereiken vanwege de toenemende uitdagingen die gepaard gaan met de miniaturisering van hun actieve componenten. Dit betekent uiteindelijk dat de momenteel vervaardigde op silicium gebaseerde transistors - FinFET's genaamd en waarmee bijna elke supercomputer is uitgerust - niet langer willekeurig kleiner kunnen worden gemaakt vanwege kwantumeffecten.

Tweedimensionale bakens van hoop

Echter, een nieuwe studie door onderzoekers van ETH Zürich en EPF Lausanne toont aan dat dit probleem kan worden opgelost met nieuwe tweedimensionale (2-D) materialen - althans dat suggereren de simulaties die ze hebben uitgevoerd op de "Piz Daint"-supercomputer .

De onderzoeksgroep, geleid door Mathieu Luisier van het Institute for Integrated Systems (IIS) aan de ETH Zürich en Nicola Marzari van EPF Lausanne, gebruikten de onderzoeksresultaten die Marzari en zijn team al hadden bereikt als basis voor hun nieuwe simulaties:In 2018, 14 jaar nadat de ontdekking van grafeen voor het eerst duidelijk maakte dat tweedimensionale materialen geproduceerd konden worden, ze gebruikten complexe simulaties op "Piz Daint" om een ​​pool van meer dan 100 te doorzoeken, 000 materialen; ze haalden er 1 uit 825 veelbelovende componenten waaruit 2D materiaallagen konden worden verkregen.

Hieruit selecteerden de onderzoekers 100 kandidaten. 800 materialen, die elk bestaan ​​uit een monolaag van atomen en geschikt kunnen zijn voor de constructie van ultra-scaled field-effect transistors (FET's). Ze hebben hun eigenschappen nu onderzocht onder de "ab initio" microscoop. Met andere woorden, ze gebruikten de CSCS-supercomputer "Piz Daint" om eerst de atomaire structuur van deze materialen te bepalen met behulp van dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT). Vervolgens combineerden ze deze berekeningen met een zogenaamde Quantum Transport-oplosser om de elektronen- en gatenstroom door de virtueel gegenereerde transistors te simuleren. De gebruikte Quantum Transport Simulator is ontwikkeld door Luisier samen met een ander ETH-onderzoeksteam, en de onderliggende methode werd in 2019 bekroond met de Gordon Bell Prize.

De optimale 2D-kandidaat vinden

Doorslaggevend voor de levensvatbaarheid van de transistor is of de stroom optimaal kan worden geregeld door één of meerdere poortcontact(en). Dankzij de ultradunne aard van 2D-materialen - meestal dunner dan een nanometer - kan een enkel poortcontact de stroom van elektronen en gatstromen moduleren, dus een transistor volledig in- en uitschakelen.

Structuur van een single-gate FET met een kanaal gemaakt van een 2D-materiaal. Daaromheen is een selectie van onderzochte 2D-materialen opgesteld. (Mathieu Luisier/ETH Zürich)

"Hoewel alle 2D-materialen deze eigenschap hebben, ze lenen zich niet allemaal voor logische toepassingen, " Luisier benadrukt, "alleen degenen die een voldoende grote bandafstand hebben tussen de valentieband en de geleidingsband." Materialen met een geschikte bandgap voorkomen zogenaamde tunneleffecten van de elektronen en daarmee de lekstromen die daardoor ontstaan. Juist deze materialen zochten de onderzoekers in hun simulaties.

Hun doel was om 2D-materialen te vinden die een stroom van meer dan 3 milliampère per micrometer kunnen leveren, zowel als n-type transistoren (elektronentransport) en als p-type transistoren (gatentransport), en waarvan de kanaallengte maar 5 nanometer kan zijn zonder het schakelgedrag te beïnvloeden. "Alleen wanneer aan deze voorwaarden wordt voldaan, kunnen transistors op basis van tweedimensionale materialen conventionele Si FinFET's overtreffen, ' zegt Luisier.

De bal ligt nu bij de experimentele onderzoekers

Rekening houdend met deze aspecten, de onderzoekers identificeerden 13 mogelijke 2D-materialen waarmee toekomstige transistoren zouden kunnen worden gebouwd en die ook de voortzetting van de schalingswet van Moore mogelijk zouden kunnen maken. Sommige van deze materialen zijn al bekend, bijvoorbeeld zwarte fosfor of HfS2, maar Luisier benadrukt dat andere volledig nieuw zijn:verbindingen zoals Ag2N6 of O6Sb4.

"Dankzij onze simulaties hebben we een van de grootste databases van transistormaterialen gecreëerd. Met deze resultaten, we hopen experimentatoren te motiveren die met 2D-materialen werken om nieuwe kristallen te exfoliëren en logische schakelaars van de volgende generatie te creëren, ", zegt de ETH-professor. De onderzoeksgroepen onder leiding van Luisier en Marzari werken nauw samen in het National Center of Competence in Research (NCCR) MARVEL en hebben nu hun laatste gezamenlijke resultaten gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano . Ze zijn ervan overtuigd dat transistors op basis van deze nieuwe materialen die van silicium of van de momenteel populaire overgangsmetaaldichalcogeniden kunnen vervangen.