Med den ökande miniatyriseringen av elektroniska komponenter, forskare kämpar med oönskade biverkningar:När det gäller transistorer i nanometerskala gjorda av konventionella material som kisel, kvanteffekter uppstår som försämrar deras funktionalitet. En av dessa kvanteffekter, till exempel, är ytterligare läckströmmar, d.v.s. strömmar som flyter "vilse" och inte via den ledare som finns mellan emitter- och drain-kontakterna. Man tror därför att Moores skalningslag, som säger att antalet integrerade kretsar per ytenhet fördubblas var 12-18:e månad, kommer att nå sina gränser inom en snar framtid på grund av de ökande utmaningarna i samband med miniatyriseringen av deras aktiva komponenter. Detta innebär i slutändan att de för närvarande tillverkade kiselbaserade transistorerna – kallade FinFETs och utrustar nästan alla superdatorer – inte längre kan göras godtyckligt mindre på grund av kvanteffekter.

Tvådimensionella ledstjärnor av hopp

Dock, en ny studie av forskare vid ETH Zürich och EPF Lausanne visar att detta problem kan övervinnas med nya tvådimensionella (2-D) material – eller åtminstone det är vad simuleringarna de har genomfört på superdatorn "Piz Daint" antyder .

Forskargruppen, ledd av Mathieu Luisier från Institute for Integrated Systems (IIS) vid ETH Zürich och Nicola Marzari från EPF Lausanne, använde forskningsresultaten som Marzari och hans team redan hade uppnått som grund för sina nya simuleringar:Tillbaka 2018, 14 år efter upptäckten av grafen först gjorde det klart att tvådimensionella material kunde tillverkas, de använde komplexa simuleringar på "Piz Daint" för att sålla igenom en pool på mer än 100, 000 material; de extraherade 1, 825 lovande komponenter från vilka 2D-lager av material kunde erhållas.

Forskarna valde ut 100 kandidater från dessa mer än 1, 800 material, som var och en består av ett monolager av atomer och kan vara lämpliga för konstruktion av ultraskalade fälteffekttransistorer (FET). De har nu undersökt deras egenskaper under mikroskopet "ab initio". Med andra ord, de använde CSCS-superdatorn "Piz Daint" för att först bestämma atomstrukturen för dessa material med hjälp av densitetsfunktionsteori (DFT). De kombinerade sedan dessa beräkningar med en så kallad Quantum Transport solver för att simulera elektron- och hålströmmen genom de virtuellt genererade transistorerna. Quantum Transport Simulator som används har utvecklats av Luisier tillsammans med en annan ETH-forskargrupp, och den underliggande metoden belönades med Gordon Bell-priset 2019.

Att hitta den optimala 2D-kandidaten

Den avgörande faktorn för transistorns livskraft är om strömmen kan styras optimalt av en eller flera grindkontakter. Tack vare den ultratunna naturen hos 2D-material – vanligtvis tunnare än en nanometer – kan en enda gate-kontakt modulera flödet av elektroner och hålströmmar, så att en transistor helt kopplas på och av.

Struktur av en enkelgrinds FET med en kanal gjord av ett 2-D-material. Runt den finns ett urval av 2D-material som har undersökts. (Mathieu Luisier/ETH Zürich)

"Även om allt 2D-material har denna egenskap, inte alla av dem lämpar sig för logiska tillämpningar, Luisier betonar, "endast de som har ett tillräckligt stort bandgap mellan valensbandet och ledningsbandet." Material med lämpligt bandgap förhindrar så kallade tunneleffekter av elektronerna och därmed de läckströmmar som de orsakar. Det är just dessa material som forskarna letade efter i sina simuleringar.

Deras mål var att hitta 2D-material som kan leverera en ström som är större än 3 milliampere per mikrometer, både som transistorer av n-typ (elektrontransport) och som transistorer av p-typ (håltransport), och vars kanallängd kan vara så liten som 5 nanometer utan att försämra växlingsbeteendet. "Först när dessa villkor är uppfyllda kan transistorer baserade på tvådimensionella material överträffa konventionella Si FinFET, säger Luisier.

Bollen ligger nu hos de experimentella forskarna

Med hänsyn till dessa aspekter, forskarna identifierade 13 möjliga 2D-material som framtida transistorer skulle kunna byggas med och som också skulle kunna möjliggöra fortsättningen av Moores skalningslag. Vissa av dessa material är redan kända, till exempel svart fosfor eller HfS2, men Luisier betonar att andra är helt nya – föreningar som Ag2N6 eller O6Sb4.

"Vi har skapat en av de största databaserna med transistormaterial tack vare våra simuleringar. Med dessa resultat, vi hoppas kunna motivera experimentalister som arbetar med 2D-material för att exfoliera nya kristaller och skapa nästa generations logiska switchar, " säger ETH-professorn. Forskargrupperna som leds av Luisier och Marzari arbetar nära tillsammans vid National Centre of Competence in Research (NCCR) MARVEL och har nu publicerat sina senaste gemensamma resultat i tidskriften ACS Nano . De är övertygade om att transistorer baserade på dessa nya material kan ersätta de som är gjorda av kisel eller av de för närvarande populära övergångsmetallen dikalkogenider.