Tweedimensionale materialen voor ultrageschaalde veldeffecttransistors

Met de toenemende miniaturisatie van elektronische componenten kampen onderzoekers met ongewenste neveneffecten: bij transistors op nanometerschaal van conventionele materialen zoals silicium treden kwantumeffecten op die hun functionaliteit aantasten. Een van deze kwantumeffecten zijn bijvoorbeeld extra lekstromen, dwz stromen die “dwalen” en niet via de geleider tussen de source- en drain-contacten. Er wordt daarom aangenomen dat de schaalwet van Moore, die stelt dat het aantal geïntegreerde schakelingen per oppervlakte-eenheid elke 12-18 maanden verdubbelt, in de nabije toekomst zijn limieten zal bereiken vanwege de toenemende uitdagingen die gepaard gaan met de miniaturisatie van hun actieve componenten. Dit betekent uiteindelijk dat de momenteel vervaardigde transistors op siliciumbasis – FinFET’s genaamd en waarmee bijna elke supercomputer uitgerust is – niet langer willekeurig kleiner kunnen worden gemaakt vanwege kwantumeffecten.

Tweedimensionale bakens van hoop

Een nieuwe studie door onderzoekers van ETH Zürich en EPF Lausanne toont echter aan dat dit probleem kan worden overwonnen met nieuwe tweedimensionale (2-D) materialen – althans dat is wat de simulaties die ze hebben uitgevoerd op de “Piz Daint” supercomputer suggereren.

De onderzoeksgroep, geleid door Mathieu Luisier van het Institute for Integrated Systems (IIS) aan de ETH Zürich en Nicola Marzari van EPF Lausanne, gebruikte de onderzoeksresultaten die Marzari en zijn team al hadden bereikt als basis voor hun nieuwe simulaties: Back in 2018 , 14 jaar nadat de ontdekking van grafeen voor het eerst duidelijk maakte dat tweedimensionale materialen konden worden geproduceerd, gebruikten ze complexe simulaties op “Piz Daint” om door een pool van meer dan 100.000 materialen te ziften; Ze haalden 1.825 veelbelovende componenten eruit waaruit 2D-materiaallagen konden worden verkregen.

De onderzoekers selecteerden 100 kandidaten uit deze meer dan 1.800 materialen, die elk uit een monolaag van atomen bestaan ​​en geschikt kunnen zijn voor de constructie van ultra-geschaalde veldeffecttransistors (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 Density Functional Theory (DFT). Ze combineerden deze berekeningen vervolgens met een zogenaamde Quantum Transport solver om de elektronen- en gatstroom door de virtueel gegenereerde transistors te simuleren. De gebruikte Quantum Transport Simulator is ontwikkeld door Luisier in samenwerking met een ander ETH-onderzoeksteam en de onderliggende methode werd in 2019 bekroond met de Gordon Bell-prijs.

De optimale 2D-kandidaat vinden

Doorslaggevend voor de levensvatbaarheid van de transistor is of de stroom optimaal kan worden geregeld door een 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, waardoor een transistor volledig wordt in- en uitgeschakeld.

Structuur van een single-gate FET met een kanaal gemaakt van een 2D-materiaal. Eromheen is een selectie van 2-D materialen gerangschikt die zijn onderzocht. (Mathieu Luisier / ETH Zürich)

“Hoewel alle 2-D-materialen deze eigenschap hebben, lenen ze zich niet allemaal voor logische toepassingen”, benadrukt Luisier, “alleen die materialen die een voldoende grote bandafstand hebben tussen de valentieband en de geleidingsband.” Materialen met een geschikte bandafstand voorkomen zogenaamde tunneleffecten van de elektronen en daarmee de daardoor veroorzaakte lekstromen. 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 transistors (elektronentransport) als als p-type transistors (gatentransport), en waarvan de kanaallengte zo klein kan zijn als 5 nanometer zonder het schakelgedrag te beïnvloeden. “Alleen wanneer aan deze voorwaarden is voldaan, kunnen transistors op basis van tweedimensionale materialen de conventionele Si FinFET’s overtreffen”, zegt Luisier.

De bal ligt nu bij de experimentele onderzoekers

Rekening houdend met deze aspecten, identificeerden de onderzoekers 13 mogelijke 2-D-materialen waarmee toekomstige transistors konden worden gebouwd en die ook de voortzetting van de schaalwet 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.

“We hebben dankzij onze simulaties een van de grootste databases met transistormaterialen gemaakt. Met deze resultaten hopen we experimentele onderzoekers die met 2-D-materialen werken te motiveren om nieuwe kristallen te exfoliëren en logische schakelaars van de volgende generatie te maken”, 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 overgangsmetaal dichalcogeniden kunnen vervangen.