Struttura di un FET a gate singolo con un canale in materiale 2-D. Attorno ad esso sono disposti una selezione di materiali 2-D che sono stati studiati. Credito:Mathieu Luisier/ETH Zürich
Dalla scoperta del grafene, i materiali bidimensionali sono stati al centro della ricerca sui materiali. Tra l'altro, potrebbero essere usati per costruire piccoli, transistor ad alte prestazioni. I ricercatori dell'ETH di Zurigo e dell'EPF di Losanna hanno ora simulato e valutato cento possibili materiali a questo scopo e scoperto 13 candidati promettenti.
Con la crescente miniaturizzazione dei componenti elettronici, i ricercatori stanno lottando con effetti collaterali indesiderati:nel caso di transistor su scala nanometrica realizzati con materiali convenzionali come il silicio, si verificano effetti quantistici che ne compromettono la funzionalità. Uno di questi effetti quantistici, Per esempio, sono correnti di dispersione aggiuntive, cioè correnti che scorrono "fuori strada" e non attraverso il conduttore previsto tra i contatti source e drain. Si ritiene quindi che la legge di scala di Moore, che stabilisce che il numero di circuiti integrati per unità di superficie raddoppia ogni 12-18 mesi, raggiungerà i suoi limiti nel prossimo futuro a causa delle crescenti sfide associate alla miniaturizzazione dei loro componenti attivi. Ciò significa in definitiva che i transistor a base di silicio attualmente prodotti, chiamati FinFET e che equipaggiano quasi tutti i supercomputer, non possono più essere resi arbitrariamente più piccoli a causa degli effetti quantistici.
Segnali di speranza bidimensionali
Però, un nuovo studio dei ricercatori dell'ETH di Zurigo e dell'EPF di Losanna mostra che questo problema potrebbe essere superato con nuovi materiali bidimensionali (2-D), o almeno questo è ciò che suggeriscono le simulazioni che hanno effettuato sul supercomputer "Piz Daint" .
Il gruppo di ricerca, guidato da Mathieu Luisier dell'Institute for Integrated Systems (IIS) dell'ETH di Zurigo e Nicola Marzari dell'EPF Losanna, hanno utilizzato i risultati della ricerca che Marzari e il suo team avevano già raggiunto come base per le loro nuove simulazioni:nel 2018, 14 anni dopo la scoperta del grafene ha chiarito per la prima volta che si potevano produrre materiali bidimensionali, hanno usato complesse simulazioni sul "Piz Daint" per setacciare un pool di oltre 100, 000 materiali; hanno estratto 1, 825 componenti promettenti da cui è possibile ottenere strati di materiale 2-D.
I ricercatori hanno selezionato 100 candidati tra questi più di 1, 800 materiali, ognuno dei quali è costituito da un monostrato di atomi e potrebbe essere adatto per la costruzione di transistor ad effetto di campo (FET) ultra-scalati. Ora hanno studiato le loro proprietà al microscopio "ab initio". In altre parole, hanno usato il supercomputer CSCS "Piz Daint" per determinare prima la struttura atomica di questi materiali usando la teoria del funzionale della densità (DFT). Hanno quindi combinato questi calcoli con un cosiddetto solutore di trasporto quantistico per simulare i flussi di elettroni e lacune attraverso i transistor generati virtualmente. Il Quantum Transport Simulator utilizzato è stato sviluppato da Luisier insieme ad un altro team di ricerca dell'ETH, e il metodo sottostante è stato insignito del Gordon Bell Prize nel 2019.
Trovare il candidato ottimale 2-D
Il fattore decisivo per l'attuabilità del transistor è se la corrente può essere controllata in modo ottimale da uno o più contatti di gate. Grazie alla natura ultrasottile dei materiali 2-D, solitamente più sottili di un nanometro, un singolo contatto di gate può modulare il flusso di elettroni e correnti di lacune, accendendo e spegnendo completamente un transistor.
"Sebbene tutti i materiali 2-D abbiano questa proprietà, non tutti si prestano ad applicazioni logiche, "sottolinea Luisier, "solo quelli che hanno un gap di banda sufficientemente ampio tra la banda di valenza e la banda di conduzione". I materiali con un'adeguata banda proibita prevengono i cosiddetti effetti tunnel degli elettroni e quindi le correnti di dispersione da essi provocate. Sono proprio questi materiali che i ricercatori stavano cercando nelle loro simulazioni.
Il loro scopo era trovare materiali 2-D in grado di fornire una corrente superiore a 3 milliampere per micrometro, sia come transistor di tipo n (trasporto di elettroni) che come transistor di tipo p (trasporto di lacune), e la cui lunghezza del canale può essere fino a 5 nanometri senza compromettere il comportamento di commutazione. "Solo quando queste condizioni sono soddisfatte, i transistor basati su materiali bidimensionali possono superare i convenzionali Si FinFET, "dice Luisier.
La palla ora è nel campo dei ricercatori sperimentali
Tenendo conto di questi aspetti, i ricercatori hanno identificato 13 possibili materiali 2-D con cui costruire futuri transistor e che potrebbero anche consentire la continuazione della legge di scala di Moore. Alcuni di questi materiali sono già noti, per esempio fosforo nero o HfS 2 , ma Luisier sottolinea che altri sono completamente nuovi composti come Ag 2 n 6 o O 6 Sb 4 .
"Abbiamo creato uno dei più grandi database di materiali per transistor grazie alle nostre simulazioni. Con questi risultati, speriamo di motivare gli sperimentatori che lavorano con materiali 2-D per esfoliare nuovi cristalli e creare interruttori logici di nuova generazione, " afferma il professore dell'ETH. I gruppi di ricerca guidati da Luisier e Marzari lavorano a stretto contatto presso il Centro nazionale di competenza nella ricerca (NCCR) MARVEL e hanno ora pubblicato i loro ultimi risultati congiunti sulla rivista ACS Nano . Sono fiduciosi che i transistor basati su questi nuovi materiali potrebbero sostituire quelli fatti di silicio o dei dicalcogenuri di metalli di transizione attualmente popolari.
