模拟显微镜考察了未来的模拟晶体管

2021-12-17 22:44:00景慧启导读自从发现石墨烯以来，二维材料一直是显微材料研究的重点。除其他事项外，镜考它们还可用于制造微型高性能晶体管。体管苏黎世联邦理工学院和洛桑联邦理工

自从发现石墨烯以来，模拟二维材料一直是显微材料研究的重点。除其他事项外，镜考它们还可用于制造微型高性能晶体管。体管苏黎世联邦理工学院和洛桑联邦理工学院的模拟研究人员现在已经模拟并评估了一百种可能的材料，并发现了13种有前途的显微候选人。

随着电子元件的镜考小型化日益增加，研究人员正努力应对不良的体管副作用：对于由硅等常规材料制成的纳米级晶体管，量子效应会损害其功能。模拟例如，显微这些量子效应之一是镜考附加的泄漏电流，即“杂散”而不通过设置在源极和漏极触点之间的导体流动的电流。因此，据信摩尔定标定律指出每单位面积集成电路的数量每12-18个月翻一番，但由于有源元件的小型化带来的挑战越来越大，摩尔定标定律将在不久的将来达到极限。这最终意味着，由于量子效应，不再能够使当前制造的硅基晶体管(称为FinFET，几乎配备了每台超级计算机)变得更小。

希望的二维信标

但是，苏黎世联邦理工学院和洛桑联邦理工学院洛桑分校的研究人员进行的一项新研究表明，可以使用新的二维(2-D)材料解决该问题，或者至少这是他们对“ Piz Daint”进行的模拟超级计算机建议。

该研究小组由苏黎世联邦理工学院集成系统研究所(IIS)的Mathieu Luisier和洛桑联邦理工学院的Nicola Marzari领导，将Marzari及其团队已经取得的研究结果用作其新模拟的基础：早在2018年，在发现石墨烯后14年来首次明确表明可以生产二维材料，他们在“ Piz Daint”上进行了复杂的模拟，筛选出超过100,000种材料;他们提取了1,825个有希望的组件，可以从中获得二维材料层。

研究人员从这1,800多种材料中选择了100种候选材料，每种材料都由一个原子单层组成，可能适合于构建超大规模场效应晶体管(FET)。他们现在在“从头开始”的显微镜下研究了其性能。换句话说，他们使用CSCS超级计算机“ Piz Daint”首先使用密度泛函理论(DFT)确定这些材料的原子结构。然后，他们将这些计算与所谓的量子传输求解器相结合，以模拟流过虚拟产生的晶体管的电子和空穴电流。所使用的量子传输模拟器是由路易斯·路易斯(Luisier)与另一个ETH研究团队共同开发的，其基本方法于2019年获得了戈登·贝尔奖。

寻找最佳的二维候选者

晶体管生存能力的决定性因素是电流是否可以通过一个或多个栅极触点最佳控制。由于二维材料的超薄特性(通常比纳米薄)，单个栅极触点可以调节电子流和空穴电流，从而完全打开和关闭晶体管。

Luisier强调：“尽管所有二维材料都具有这种特性，但并不是所有的材料都适合逻辑应用，只有那些在价带和导带之间具有足够的带隙的材料。”具有合适带隙的材料可防止所谓的电子隧穿效应，从而防止电子引起的漏电流。研究人员正是在模拟中寻找这些材料。

他们的目标是找到可以提供每微米大于3毫安电流的2-D材料，既可以作为n型晶体管(电子传输)，也可以作为p型晶体管(空穴传输)，并且其沟道长度可以小厚度为5纳米，而不会影响开关性能。Luisier说：“只有满足这些条件，基于二维材料的晶体管才能超越传统的Si FinFET。”

球现在在实验研究人员的法庭上

考虑到这些方面，研究人员确定了13种可能的2D材料，可以用它们来构建未来的晶体管，并且还可以使摩尔定律得以延续。其中一些材料是已知的，例如黑磷或HfS2，但Luisier强调其他材料是全新的-如Ag2N6或O6Sb4的化合物。

ETH教授说：“由于我们的仿真，我们已经建立了最大的晶体管材料数据库之一。基于这些结果，我们希望激发实验人员使用2-D材料剥落新晶体并创建下一代逻辑开关。”由Luisier和Marzari领导的研究小组在研究能力中心(NCCR)MARVEL中密切合作，现已在ACS Nano杂志上发表了最新研究成果。他们相信，基于这些新材料的晶体管可以替代那些由硅或目前流行的过渡金属二卤化物制成的晶体管。