Materiaaleja tulevaisuuden transistoreille

Yhden portin FET-rakenne, jossa on 2D-materiaalista valmistettu kanava. Sen ympärille on järjestetty valikoima tutkittuja 2D-materiaaleja.

Nykyisillä materiaaleilla valmistettavien elektroniikkakomponenttien pienentäinen on tulossa tiensä päähän.

ETH Zürichin ja EPF Lausannen tutkijat ovat simuloineet ja arvioineet sata mahdollista muuta materiaalia tätä tarkoitusta ajatellen ja löytäneet 13 lupaavaa ehdokasta.

Uusin tutkimus osoittaa, että komponenttien pienentämisongelma voitaisiin ratkaista uusilla kaksiulotteisilla (2D) materiaaleilla - tai ainakin niillä joiden simulaatiot he ovat suorittaneet "Piz Daint" -supertietokoneella.

Jo vuonna 2018 selvisi mitä kaksiulotteisia materiaaleja voidaan tuottaa. Silloin EPF Lausannen tutkijaryhmä käytti monimutkaisia simulaatioita seulomaan yli 100 000 materiaalia läpi, joista löytyi 1 825 lupaavaa 2D-kerrosmateriaalia.

Nyt tutkijat valitsivat näistä sata ehdokasta, joista kukin koostuu yksikerroksisista atomista ja jotka voisivat olla sopivia ultramittakaavaisten kenttävaikutustransistorien (FET) rakentamiseen.

Niitä on tutkittu erilaisilla menetelmillä kuten atomirakenteen määrittämistä tiheysfunktionaalisen teorian (DFT) avulla. Sitten laskelmat yhdistettiin Quantum Transport -ratkaisijaan, jolla voi simuloida elektronien ja aukkojen virtauksia virtuaalisesti muodostettujen transistorien läpi.

Transistorin toiminnan kannalta ratkaiseva tekijä on se, voidaanko virtaa säätää optimaalisesti yhdellä tai useammalla hilakontaktilla. 2D-materiaalien erittäin ohuen luonteen ansiosta yhden portin kosketin voi moduloida elektronien ja aukkojen virtoja kytkemällä transistorin kokonaan päälle ja pois.

"Vaikka kaikilla 2D-materiaaleilla on tämä ominaisuus, kaikki eivät sovellu logiikkasovelluksiin", Mathieu Luisier korostaa, "vain sellaisia, joilla on riittävän suuri ero valenssi- ja johtavuuskaistan välillä." Materiaalit, joilla on sopiva kaistarako, estävät elektronien tunnelointiefektit ja siten niiden aiheuttamat vuotovirrat.

Heidän tavoitteena oli löytää 2D-materiaaleja, jotka voivat syöttää enemmän kuin 3 milliampeeria virtaa mikrometriä kohden sekä n-tyypin (elektroninkuljetus) että p-tyypin transistorina (aukkokuljetus) ja jonka kanavan pituus voi olla niin pieni kuin 5 nanometriä heikentämättä kytkentäkäyttäytymistä. "Vain näiden edellytysten täyttyessä kaksiulotteisiin materiaaleihin perustuvat transistorit voivat ylittää tavanomaiset Si FinFET -tekniikat", Luisier sanoo.

Jotkut näistä materiaaleista ovat jo tunnettuja, esimerkiksi musta fosfori- tai HfS2, mutta Luisier korostaa, että toiset ovat täysin uusia kuten yhdisteet Ag2N6 tai O6Sb4.

"Olemme luoneet yhden suurimmista transistorimateriaalien tietokannoista simulaatiomme ansiosta. Näiden tulosten avulla toivomme motivoivan 2D-materiaalien parissa työskenteleviä kokeilijoita kuorimaan uusia kiteitä ja luomaan seuraavan sukupolven logiikkakytkimiä", sanoo ETH:n professori Luisier yliopistonsa tiedotteessa.

Aiheesta aiemmin

Ultrapuhdas valmistustapa 2D-transistoreille

Metalli ja puolijohde 2D-elektroniikalle

Näppärä kaksiulotteinen transistorirakenne