Le aziende di semiconduttori stanno lottando per sviluppare dispositivi di dimensioni di soli nanometri, e gran parte della sfida sta nel riuscire a descrivere in modo più accurato la fisica sottostante su quella nanoscala. Ma un nuovo approccio computazionale in lavorazione da un decennio potrebbe abbattere queste barriere.

Dispositivi che utilizzano semiconduttori, dai computer alle celle solari, hanno goduto di enormi miglioramenti di efficienza negli ultimi decenni. notoriamente, uno dei co-fondatori di Intel, Gordon Moore, ha osservato che il numero di transistor in un circuito integrato raddoppia circa ogni due anni e questa "legge di Moore" è rimasta valida per un po' di tempo.

Negli ultimi anni, però, tali guadagni sono rallentati quando le aziende che tentano di progettare transistor su nanoscala hanno raggiunto i limiti della miniaturizzazione a livello atomico.

I ricercatori della School of Electrical Engineering presso KAIST hanno sviluppato un nuovo approccio alla fisica di base dei semiconduttori.

"Con i sistemi quantistici aperti come principale obiettivo di ricerca del nostro laboratorio, stavamo rivisitando concetti che erano stati dati per scontati e che compaiono persino nei libri di testo standard di fisica dei semiconduttori come la caduta di tensione nei dispositivi a semiconduttore in funzione, " ha affermato il ricercatore capo, il professor Yong-Hoon Kim. "Interrogandosi su come tutti questi concetti potrebbero essere compresi e possibilmente rivisti su scala nanometrica, era chiaro che c'era qualcosa di incompleto nella nostra attuale comprensione".

"E mentre i chip semiconduttori vengono ridimensionati al livello atomico, elaborare una teoria migliore per descrivere i dispositivi a semiconduttore è diventato un compito urgente".

L'attuale comprensione afferma che i semiconduttori sono materiali che agiscono come case a metà strada tra i conduttori, come rame o acciaio, e isolanti, come gomma o polistirolo. A volte conducono elettricità, ma non sempre. Questo li rende un ottimo materiale per controllare intenzionalmente il flusso di corrente, che a sua volta è utile per costruire i semplici interruttori on/off, i transistor, che sono il fondamento della memoria e dei dispositivi logici nei computer.

Per "accendere" un semiconduttore, viene applicata una corrente o una sorgente luminosa, eccitando un elettrone in un atomo per saltare da quella che viene chiamata una 'banda di valenza, ' che è pieno di elettroni, fino alla 'banda di conduzione, ' che è originariamente non riempito o solo parzialmente riempito di elettroni. Gli elettroni che sono saliti sulla banda di conduzione grazie a stimoli esterni ei restanti "buchi" sono ora in grado di muoversi e agire come portatori di carica per far fluire la corrente elettrica.

Il concetto fisico che descrive le popolazioni degli elettroni nella banda di conduzione e le lacune nella banda di valenza e l'energia necessaria per compiere questo salto è formulato nei termini del cosiddetto 'livello di Fermi'. Per esempio, devi conoscere i livelli di Fermi degli elettroni e delle lacune per sapere quanta energia otterrai da una cella solare, comprese le perdite.

Ma il concetto di livello di Fermi è definito in modo semplice solo finché un dispositivo a semiconduttore è in equilibrio - seduto su uno scaffale senza fare nulla - e l'intero punto dei dispositivi a semiconduttore è di non lasciarli sullo scaffale.

Circa 70 anni fa, William Shockley, il co-inventore del transistor vincitore del premio Nobel presso i Bell Labs, ha inventato un po' di fudge teorico, il livello 'quasi Fermi, ' o QFL, consentire una previsione e una misurazione approssimative dell'interazione tra le lacune della banda di valenza e gli elettroni della banda di conduzione, e questo ha funzionato abbastanza bene fino ad ora.

"Ma quando lavori alla scala di pochi nanometri, i metodi per calcolare teoricamente o misurare sperimentalmente la suddivisione dei QFL non erano disponibili, ", ha detto il professor Kim.

Ciò significa che a questa scala, problemi come gli errori relativi alla caduta di tensione assumono un significato molto maggiore.

Il team di Kim ha lavorato per quasi dieci anni allo sviluppo di una nuova descrizione teorica del trasporto di elettroni quantistici su nanoscala che può sostituire il metodo standard e il software che consente loro di utilizzarlo. Ciò ha comportato l'ulteriore sviluppo di un po' di matematica nota come teoria funzionale della densità che semplifica le equazioni che descrivono le interazioni degli elettroni, e che è stato molto utile in altri campi come la scoperta di materiali computazionali ad alto rendimento.

Per la prima volta, sono stati in grado di calcolare la divisione QFL, offrendo una nuova comprensione della relazione tra caduta di tensione e trasporto quantistico di elettroni nei dispositivi su scala atomica.

Oltre a esaminare vari interessanti fenomeni quantistici di non equilibrio con la loro nuova metodologia, il team sta ora sviluppando ulteriormente il proprio software in uno strumento di progettazione assistita da computer che verrà utilizzato dalle aziende di semiconduttori per lo sviluppo e la fabbricazione di dispositivi avanzati a semiconduttore.